Experimentele natuurkundigen van de Universiteit van Massachusetts Amherst melden vandaag dat ze een snelle, dynamisch nieuw proces voor het verpakken van vloeistofdruppels in ultradunne polymeervellen, dus wat eens een moeizaam proces was dat tientallen minuten duurde, kan nu in een fractie van een seconde worden gedaan.

Natuurkunde professor Narayanan Menon, met huidig ​​postdoctoraal onderzoeker Deepak Kumar, voormalig postdoc Joseph Paulsen en hoogleraar polymeerwetenschap Thomas Russell, rapporteren hun bevindingen in het huidige nummer van Wetenschap . Paulsen is nu aan de Universiteit van Syracuse.

Zoals Menon uitlegt, veel onderzoeksgroepen over de hele wereld werken aan het probleem van het inpakken van vloeistofdruppels om emulsies te stabiliseren, die nuttig kunnen zijn in medicijnafgiftesystemen, bijvoorbeeld, of voor het verhelpen van olielozingen.

De gebruikelijke methode is om een ​​vloeistoflaag te gebruiken die als oppervlakteactieve stof fungeert om oliën en water in suspensie te houden. Mayonaise is een emulsie van olie en water, Menon-aantekeningen, met eiwit als oppervlakteactieve stof die het in suspensie houdt. Maar een vloeibare oppervlakteactieve laag heeft geen stijfheid, het kan geen vorm vasthouden. De onderzoekers van UMass Amherst waren op zoek naar een omslagdoek met een eindige stijfheid.

Hij zegt, "Laten we zeggen dat ik je vraag om een ​​basketbal in te pakken en ik geef je plakband en papier. Je doet je best, maar het komt er niet helemaal netjes uit. Het zal hiaten en overlappingen hebben. Met ons nieuwe proces, je gooit de basketbal naar de krant, en het komt er perfect verpakt uit."

Menon voegt eraan toe, "Als je erover denkt om dit soort verpakking steeds opnieuw te doen, snelheid en gebruiksgemak maken het verschil. De snelle en eenvoudige oplossing die Kumar heeft gevonden is een enorme vooruitgang, en toen hij het eenmaal onder de knie had en de belangrijkste parameters identificeerde, hij ontdekte dat hij avontuurlijk kon worden en verschillende vormen kon maken. We laten zien dat we kubussen en een tetraëder hebben gemaakt, bijvoorbeeld."

Ook, "De materialen zijn gewone polymeren en gewone vloeistoffen, gewoon olie en water. Geen magische ingrediënten nodig, en we kunnen vrijuit van oliedruppels in water en vice versa. De naden worden op hun plaats gehouden door de afkeer van de vloeistof binnen voor de vloeistof buiten, dus de wikkelranden komen precies bij de naad samen en er is geen overlap en geen opening."

Kumar, eerste auteur van het artikel, wijst erop dat de nieuwe techniek gebruik maakt van de snelle dynamiek van druppelinslag om oliedruppels te wikkelen door ultradunne polymeerfilms in een waterfase. "Ondanks het geweld van spetterende gebeurtenissen, het proces levert stevig omhulsels op die optimaal zijn gevormd om het ingesloten vloeistofvolume te maximaliseren en bijna perfecte naden hebben, " schrijven hij en collega's. "We bereiken omhulsels van gerichte driedimensionale vormen door de tweedimensionale grens van de films aan te passen en de algemeenheid van de techniek te laten zien door zowel olie-in-water als water-in-olie omhulsels te produceren."

Belangrijke factoren die betrokken zijn bij het praktische succes van de nieuwe methode, Kumar merkt op, zijn druppelvloeistofdichtheid en de grootte van de druppel in verhouding tot de grootte van het dunne polymeervel. Menon grapt, "Het werkt niet als je een basketbal naar een laken gooit, noch op een postzegel. De grootte van de druppel en het vel moeten gerelateerd zijn."

Een onverwachte bonus van dit werk, de auteurs wijzen erop, is dat ze niet alleen het praktische succes hebben behaald, maar ze waren in staat om een ​​deel van de diepere wetenschappelijke vraag van het mechanisme te beantwoorden. Kumar zegt, "We stellen enkele ideeën voor, maar we hebben niet op alle vragen een antwoord."

Menon zegt dat hij hoopt dat experimentele natuurkundigen die over dit werk lezen snel zullen begrijpen dat "het technisch eenvoudig is en dat je het zelf zou moeten doen. je moet het nemen en een richting inslaan waar we niet aan hebben gedacht. We hopen dat andere onderzoekers meer en andere toepassingen zullen bedenken dan wij zelf zouden doen. Als je complexiteit wilt toevoegen, je zou een laag of een patroon op de binnenkant van de verpakking kunnen zetten, of je zou een venster kunnen toevoegen om het een beetje lek te maken. Als je eenmaal weet hoe je de techniek moet doen, het is niet kieskeurig."