ETH-materiaalonderzoekers ontwikkelen een methode waarmee ze druppels met gecontroleerde grensvlaksamenstelling en dekking op aanvraag in een emulsie kunnen coaten om ze te stabiliseren. Hiermee vervullen ze een lang gekoesterde droom van onderzoekers en industrie.

Mayonaise is een goed voorbeeld van een emulsie die bestaat uit een waterfase en een oliefase. Olie en azijn worden gemengd tot talloze druppels. Eigeel wordt toegevoegd als een emulgator die het oppervlak van de druppeltjes bedekt, en werkt daardoor om ze te stabiliseren. correct gedaan, een boete, romig mengsel wordt gevormd. Als de olie te snel (of op het verkeerde moment) wordt toegevoegd, de mayonaise stolt:de druppels zijn niet stabiel genoeg, ze lossen op, en de fasen scheiden.

Tot nu toe hebben materiaalonderzoekers net zoveel moeite gehad als amateurkoks met het maken van de perfecte mayonaise bij het produceren van gecontroleerde interfaces van druppeltjes in tweefasenmengsels met stabilisatoren of emulgatoren. Deze "versterkte" interfaces zijn belangrijk omdat ze de druppeltjes en uiteindelijk de respectieve emulsie stabiliseren. Tot nu, onderzoekers zijn er niet in geslaagd om met succes de omvang van de deeltjesdekking of de samenstelling van de deeltjes in de interfaces van dergelijke druppeltjes te reguleren.

Bedek druppels naar wens

Maar deze "mayonaise-puzzel" is misschien opgelost:materiaalonderzoekers van ETH Zürich en de Belgische Universiteit van Leuven (KU Leuven), werkend onder leiding van professor Jan Vermant van ETH, hebben een nieuwe methode ontwikkeld waarmee ze de druppelinterfaces in emulsies kunnen richten om ze te coaten en te ontwerpen met de meest uiteenlopende deeltjes. Deze methode is zojuist gepresenteerd in het online wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Met behulp van de klassieke benadering - het mengen van twee vloeistoffen met een emulgator, schudden en het resultaat zien - het is onmogelijk om gedefinieerde hoeveelheden emulgator in het grensvlak van de druppels te regelen, " benadrukt Vermant. "Er is een element van toeval."

Met de nieuwe methode is het nu mogelijk om vooraf te berekenen en de hoeveelheid deeltjes in te stellen die nodig is om de juiste dekkingsgraad te bereiken. De onderzoekers hebben ook willekeurig veel verschillende opties gevonden voor welke deeltjes ze willen gebruiken en welke grootte ze kunnen hebben. Sferische silicadeeltjes worden het meest gebruikt, maar voor het testen gebruikten ze ook worm- of staafvormige deeltjes. Eiwitten en polymeren zijn nu ook opties voor gebruik als emulgatoren.

"Deze aanpak biedt ongekende mogelijkheden die we kunnen gebruiken om nieuwe materialen te creëren, ", zegt ETH-hoogleraar Vermant.

Veelzijdige microfluïdische regeling

Hun methode is gebaseerd op een microfluïdisch platform ter grootte van een microscoopglaasje. Met dit platform kunnen de onderzoekers minuscule druppeltjes produceren. Terwijl de druppeltjes zich vormen, de tweede fase begint met de deeltjes die zich hechten aan de druppelinterfaces.

De hoeveelheid deeltjes wordt door de onderzoekers gecontroleerd met behulp van de stroomsnelheid waarmee de deeltjesfase door de zich ontwikkelende druppeltjes beweegt. Eindelijk, deze laag wordt omgeven door de fase waarin de druppeltjes tot rust komen (water bij oliedruppels, of vice versa).

De afgewerkte druppels stromen vervolgens door een smal en zeer lang kanaal in de vorm van een radiator. Terwijl het door dit kanaal reist, de fase rond de druppeltjes die de deeltjes bevatten, lost geleidelijk op in de omringende oplossing. Maar er blijft genoeg tijd over voor de deeltjes om de druppelinterfaces te bedekken en de druppeltjes te stabiliseren.

Afhankelijk van het beoogde doel, de druppeltjes kunnen bedekt zijn met verschillende soorten deeltjes. De onderzoekers kunnen ook deeltjes van verschillende groottes gebruiken, verschillende chemische samenstellingen of zelfs verschillende polariteiten (hydrofoob vs hydrofiel).

Speel met emulgatoren

Afhankelijk van de dekkingsgraad kunnen de afzonderlijke druppeltjes samenvloeien. Dit resulteert in pinda-achtige vormen. De coalescentie verandert de verhouding van volume tot oppervlakte, waardoor er minder ruimte beschikbaar is voor de deeltjes op het grensvlak. De deeltjes die twee druppeltjes bedekken, worden gedwongen samen te bewegen op een kleiner gebied, en de dekking van de dubbele druppel neemt in dichtheid toe. De gecoate druppeltjes worden op deze manier gestabiliseerd - en dat geldt ook voor de emulsie, waarvan de eigenschappen ook voortkomen uit de vorm en lengte van de druppeltjes.

"Ook met onze methode kunnen we de vorm van de druppeltjes bepalen, waardoor we emulsies kunnen maken met voorheen ondenkbare eigenschappen", zegt Vermant enthousiast. Het nieuw ontdekte principe is zeer robuust. "We zijn hier al tien jaar mee bezig, en nu is het probleem opgelost."

De hier beschreven methode is alleen geschikt voor onderzoek omdat deze maar op zeer kleine schaal werkt. Echter, de ETH-onderzoekers werken eraan om het op te schalen om grotere hoeveelheden te verwerken. Ze ontwikkelen een apparaat dat op basis van de verkoop en de doorvoer al geschikt zou zijn voor industriële testmethoden.

Op nog grotere schaal, toepassingen in de voeding, farmaceutisch, cosmetica en zelfs de olie-industrie, bijvoorbeeld het scheiden van olie en water tijdens oliewinning, zou mogelijk zijn.