ETH-onderzoekers onder leiding van Lucio Isa hebben microdeeltjes ontwikkeld met een ruwe, framboosachtig oppervlak dat emulsies stabiliseert volgens een nieuw principe.

Onderzoekers onder leiding van Lucio Isa, hoogleraar interfaces, Zachte materie en assemblage bij de afdeling materialen van ETH Zürich, hebben een nieuw type silicadeeltje gecreëerd dat emulsies op een nieuwe manier kan stabiliseren. Een emulsie is een fijn verdeeld mengsel van twee niet-mengbare vloeistoffen, gevormd door druppeltjes van een vloeistof verspreid in de tweede.

Een alledaags voorbeeld hiervan is een saladedressing gemaakt van olie en azijn:de hoofdbestanddelen, azijn (effectief water) en olie, mengen niet op zichzelf en moeten krachtig worden opgeklopt om een ​​uniform mengsel te creëren. Als dit mengsel blijft staan, de fijn verdeelde azijndruppeltjes smelten weer samen en de vloeistoffen scheiden zich volledig af.

Verschillende emulgatoren nodig

Daarom is het noodzakelijk om emulsies te stabiliseren; dit kan worden bereikt met behulp van tal van verschillende emulgatoren, zoals oppervlakteactieve stoffen, polymeren of eiwitten. Al in het begin van de jaren 1900, de Britse chemici W. Ramsden en S. U. Pickering toonden ook aan dat emulsies konden worden gestabiliseerd met behulp van zeer fijne vaste deeltjes, zoals sferische silicadeeltjes (SiO2).

In dit proces, de deeltjes komen spontaan binnen en binden zich aan het grensvlak tussen de twee vloeistoffen. Ze vormen een soort pantser rond de druppeltjes en voorkomen hun samensmelting, waardoor de emulsie praktisch voor onbepaalde tijd wordt gestabiliseerd. Echter, tot nu, hiervoor waren twee soorten deeltjes nodig:die met hydrofiele oppervlakken, d.w.z. meestal zittend in het water, die alleen olie-in-water-emulsies en die met hydrofobe oppervlakken stabiliseren, d.w.z. meestal in de olie zitten, die alleen water-in-olie-mengsels stabiliseren.

Eén emulgator stabiliseert beide emulsies

Nutsvoorzieningen, dit is misschien niet langer nodig:de ETH-onderzoekers onder leiding van Isa hebben de oppervlakken van deze kleine silicabolletjes opgeruwd, die één tot zes micrometer in diameter meten, door ze te laden met silica nanodeeltjes met een veel kleinere diameter. Als resultaat, deze kleine balletjes nemen de vorm aan van frambozen. Michel Zanini, een promovendus in de groep van Isa, was in staat om de oppervlakteruwheid op een gecontroleerde manier te veranderen en een hele verzameling van dergelijke deeltjes te creëren.

In een recent gepubliceerd onderzoek in Natuurcommunicatie , de onderzoekers hebben aangetoond dat ze beide soorten emulsie kunnen stabiliseren met slechts één type van deze framboosvormige deeltjes. Dit hangt uitsluitend af van de vloeistof waarin de deeltjes worden ingebracht voordat de emulsie wordt gevormd. Als de onderzoekers de deeltjes toevoegen aan de oliefase, er ontstaat een water-in-olie-emulsie. Omgekeerd, ze kunnen een olie-in-water-emulsie stabiliseren (oliedruppeltjes fijn gedispergeerd in water), als ze hun nieuwe deeltjes eerst in water oplossen. "Deze deeltjes kunnen daarom worden gebruikt als een universeel hulpmiddel voor het maken van emulsies, " zegt Isa.

Grove deeltjes komen eerder vast te zitten

Dit komt omdat het ruwe oppervlak de mobiliteit van de deeltjes door het oppervlak van de druppel vermindert, hij legt uit. "Hoewel ze naar voren duwen op het oppervlak tussen de vloeistoffen, ze kunnen er niet zo ver overheen bewegen als vergelijkbare silicadeeltjes met een glad oppervlak - de ruwe deeltjes komen vast te zitten voordat ze de energetisch meest gunstige positie op het grensvlak kunnen bereiken, ", zegt de ETH-hoogleraar.

Met hun framboosvormige deeltjes, Isa en zijn collega's hebben de basis gelegd voor verder onderzoek op dit gebied, en ze hebben een patent aangevraagd voor hun nieuwe proces van deeltjesproductie als emulsiestabilisatoren.

Nieuwe toepassingen in zicht

Er zijn veel mogelijke toepassingen voor deze deeltjes, namelijk wanneer het nodig is om emulsies te stabiliseren; bijv. in de chemische industrie. Hoewel dit onderzoek was gericht op laboratoriummodelsystemen, dezelfde principes kunnen worden uitgebreid tot het gebruik van natuurlijk voorkomende ruwe deeltjes als emulsiestabilisatoren, om andere mogelijke toepassingen in het voedsel te vinden, cosmetica- en farmaceutische industrie, hoewel verder onderzoek in deze richting nodig is.