MIE biträdande professor Sushant Anand och hans forskare har haft flera genombrott med sitt arbete med olje-vattenblandningar eller "emulsioner". Nu, forskarna har tagit sin forskning till en ny nivå genom att skapa ultrasmå (100-400 nm i storlekar) nanoemulsioner som bildas genom självmontering av nanopartiklar runt droppar.

Det traditionella sättet att göra nanoemulsioner har flera steg, men Anand och hans team har utvecklat en enstegsteknik för att skapa nanoemulsioner som är snabbare, mer energieffektiv, och mindre. Resultaten av forskningen publicerades nyligen i ACS Tillämpade material och gränssnitt tidskrift under titeln Syntetisera Pickering Nanoemulsioner genom ångkondensering .

"Nanoteknik har en enorm roll att spela för att hantera många problem i dagens tid. Ta olje-vattenemulsioner som ett exempel. Att gå "nano" med droppstorlekar kan göra enorm skillnad i hållbarheten för många emulsionsbaserade produkter som kosmetika, mat produkter, drogleverans, och många mångmiljardindustrier. Vanligtvis används ytaktiva molekyler för att förhindra droppar från att samlas. Men sådana molekyler kan ha negativa effekter i många fall. Så, det finns ett växande intresse för att tillverka nanopartikelstabiliserade emulsioner utan ytaktiva ämnen, sa Anand.

Utmaningen teamet stod inför var att göra nanopartikelbaserad, nanodroppemulsioner, som kallas Pickering-emulsioner. "Att göra sådana emulsioner med droppar i nanoskala har varit en riktigt stor utmaning i många decennier, " observerade Anand.

I ett tidigare arbete publicerat i Naturkommunikation , Anand och hans medarbetare vid MIT visade tidigare att de kunde skapa nanoemulsioner där dropparna stabiliserades av ytaktiva ämnen. Anand och hans elever undrade om den nya tekniken potentiellt kunde användas för att göra Pickering nanoemulsioner, så de fortsatte med att ta reda på det.

"Emulsioner kan göras på många olika sätt, men tyvärr vad som fungerar för ytaktiva ämnen, fungerar inte nödvändigtvis med nanopartiklar. Så det fanns ingen garanti för att vi skulle lyckas, " lade Dong Jin Kang till, en postdoc som arbetar under Anands ledning. "Men det kommer fram att den nya tekniken lyckades uppfylla sitt mål."

Processen går ut på att ta olja och kyla ner den under daggpunkten så att vatten kondenserar på oljan och om oljan har rätt egenskaper och om den har tillräcklig koncentration av nanopartiklar, då kommer vattendropparna att självdispergera i oljan och nanopartiklar kommer att självmontera runt dem för att göra nanoemulsioner.

"Vad vi har visat med vårt arbete är att vi har gjort en av de minsta nanoemulsionerna med nanopartiklar. Det som gör det hela spännande är att att göra de emulsionerna på ett traditionellt sätt, de var tvungna att genomgå flera steg. Och de kräver en mycket hög partikelkoncentration för att göra små nanoemulsioner. Men vi kan göra emulsionerna på ett par minuter och göra dem väldigt små – 10 gånger mindre koncentration än vad tidigare människor har försökt göra, sa Anand, som är chef för Anand Research Group-laboratoriet vid UIC. "Vår teknik är mycket skalbar och kan potentiellt användas på industriell nivå. Vi har visat att den är mycket energieffektiv jämfört med nuvarande tekniker för att göra emulsioner, och vi kunde också tillhandahålla ett ramverk för de olika faktorerna som styr storleken på emulsioner."

"Denna teknik öppnar för nya gateways och möjligheter - från tillverkning av membran till läkemedelstillförselapplikationer, sa Hassan Bararnia, en doktorand som arbetar under Anand.

"Vi kan applicera dessa emulsioner på andra områden och det kan ha en inverkan på många industrier – möjligheterna är enorma. Just nu har vi använt enkla kiseldioxidnanopartiklar, men vi kan använda olika typer av nanopartiklar som organiska/oorganiska kärn-skal nanopartiklar, " tillade Kang.

Anand håller med, men hade detta att säga, "Möjligheterna finns, men det är även utmaningar och det är där all spänning ligger – att övervinna dem!"

I ett relaterat arbete som nyligen har dykt upp i tidskriften Nanoskala , betitlad Nanopartikelsyntes via bubblande ångprekursorer i bulkvätskor , Kang och Anand har utvecklat ett nytt sätt att göra enkla och komplexa nanopartiklar.

"Den viktigaste fördelen med vår teknik är att vi kan göra komplexa partiklar med enhetliga egenskaper, i frånvaro av några bireaktioner och justera skaltjockleken runt nanopartiklar mycket snyggt, sa Anand.

Arbetet från Anand och hans team drar uppmärksamhet från sina kamrater i vetenskapssamhället runt om i världen.

"Artikeln av Dr. Anand och hans medarbetare om nanoemulsioner stabiliserade av kolloidala partiklar är mycket ny och läglig, sade Dr Bernard Binks, en professor i fysikalisk kemi vid University of Hull i Storbritannien, och en världskänd expert på ämnet Pickering-emulsioner. "Fördelningsmetoder för att bryta droppar till submikrona har visat sig vara mycket utmanande. Detta arbete utgår från molekylär vattenånga och växer dropparna till definierade storlekar som bestäms delvis av partikelkoncentrationen. Det kommer att vara av stort intresse för kolloidforskare och forskare inom industrin , för."