De algemene ervaring leert ons dat olie en water niet samengaan. Toch blijkt dat ze kunnen vermengen wanneer olie als kleine druppeltjes in water wordt gedispergeerd. Dit vreemde gedrag heeft wetenschappers lang gekweld omdat er geen verklaring voor is. Een team van EPFL- en ICTP-wetenschappers heeft deze vraag bestudeerd met behulp van nieuwe optische technologie en heeft het mechanisme ontdekt waarmee deze twee neutrale en niet-mengbare verbindingen in feite met elkaar kunnen worden vermengd en emulsies kunnen vormen. Het antwoord ligt in de elektrische ladingsverdeling op de interface.

Al meer dan honderd jaar vragen scheikundigen zich af:hoe kunnen kleine oliedruppeltjes in water bestaan ​​zonder stabiliserende moleculen? "Watermoleculen hebben immers zulke sterke en favoriete interacties met elkaar dat ze er niet van houden om moleculen op te nemen die niet deelnemen aan deze interacties", zegt prof. Sylvie Roke, de hoofdonderzoeker van het onderzoek.

Inderdaad, olie en water scheiden van elkaar wanneer ze eenvoudig worden gemengd. Bij voldoende toevoer van energie in de vorm van ultrageluid vormen zich echter oliedruppels met een grootte van minder dan 1 micron in zuiver water en blijven deze enkele weken of maanden bestaan. Vreemd genoeg bewegen de druppels zich naar de positieve elektrode toe wanneer ze in een elektrisch veld worden geplaatst. Het mengen van neutrale olie en neutraal water resulteert dus in negatief geladen oliedruppeltjes. Het is niet verwonderlijk dat er hevig gediscussieerd is over de bron van deze onverwachte beschuldiging.

Het team van wetenschappers van het Laboratorium voor fundamentele BioPhotonics (LBP) in de technische school van EPFL onder leiding van prof. Roke, in samenwerking met Dr. Ali Hassanali van het International Center of Theoretical Physics (ICTP), vond de bron van de negatieve lading door zowel de lading als de moleculaire structuur van de druppeltjes grensvlak olie en water te bestuderen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Science .

Onjuiste waterstofbruggen

Het blijkt dat het antwoord op deze al lang bestaande puzzel ligt op het grensvlak tussen oliedruppels en water. Watermoleculen geven de voorkeur aan het doneren en accepteren van elektrische ladingen van hun buren via een interactie die bekend staat als waterstofbinding. Wanneer ze zich echter dicht bij de oliemoleculen aan het druppeloppervlak bevinden, kunnen ze niet langer genoeg waterburen vinden om een ​​waterstofbinding mee te maken. In plaats daarvan doneren deze watermoleculen hun onevenwichtige elektrische ladingen aan de oliemoleculen aan het druppeloppervlak. Deze studie laat zien dat de water-olie-interactie plaatsvindt via een zogenaamde oneigenlijke waterstofbinding. Dit is een zwakke waterstofbinding tussen olie en water, en hoewel zwak, zullen veel van deze de druppel stabiliseren.

Om dit mechanisme te ontrafelen, gebruikte het team van Roke een ultrasnelle optische techniek. "Twee ultrakorte laserpulsen overlapten elkaar op een mengsel van oliedruppels en water. Wanneer we dit doen, worden nieuwe fotonen gegenereerd en verspreid door de druppelinterface. Deze fotonen hebben de somfrequentie van de twee inkomende laserstralen en rapporteren over de vibrationele bindingen op het grensvlak, dat wil zeggen de beweging van atomen binnen grensvlakmoleculen. Dit vertelt ons over de structuur en de interacties tussen olie en water", legt Roke uit. Op moleculaire schaal vertoont het grensvlak tussen oliedruppeltjes en water sterke overeenkomsten met grensvlakken die betrokken zijn bij eiwitvouwing of biologische membraanvorming. Daarom bevredigen deze bevindingen over de structuur van de oliedruppel/water-interface niet alleen onze nieuwsgierigheid naar de ingewikkelde complexiteit van water, maar hebben ze ook implicaties voor het begrijpen van interacties in de biologie en chemie.