De onwil van olie en water om met elkaar te vermengen en zo te blijven, is zo bekend dat het een cliché is geworden om twee dingen te beschrijven die niet goed samengaan. Nutsvoorzieningen, een nieuwe bevinding van onderzoekers van MIT zou die uitdrukking op zijn kop kunnen zetten, biedt een manier om de twee stoffen te laten mengen en langdurig stabiel te houden - schudden is niet nodig. Het proces kan toepassingen vinden in geneesmiddelen, cosmetica, en bewerkte voedingsmiddelen, onder andere gebieden.

Het nieuwe proces omvat het koelen van een oliebad met een kleine hoeveelheid oppervlakteactieve stof (een zeepachtige substantie), en vervolgens waterdamp uit de omringende lucht op het olieoppervlak te laten condenseren. Experimenten hebben aangetoond dat dit kleine, gelijkmatige waterdruppels op het oppervlak die vervolgens in de olie zinken, en hun grootte kan worden geregeld door de hoeveelheid oppervlakteactieve stof aan te passen. De bevindingen, door MIT-afgestudeerde student Ingrid Guha, voormalig postdoc Sushant Anand, en universitair hoofddocent Kripa Varanasi, worden gerapporteerd in het journaal Natuurcommunicatie .

Zoals iedereen die ooit saladedressing heeft gebruikt weet, hoe krachtig het mengsel ook wordt geschud, de olie en de azijn (een oplossing op waterbasis) zullen binnen enkele minuten van elkaar scheiden. Maar voor veel toepassingen met inbegrip van nieuwe toedieningssystemen voor geneesmiddelen en voedselverwerkingsmethoden, het is belangrijk om olie in water (of water in olie) te kunnen krijgen om kleine druppeltjes te vormen - slechts een paar honderd nanometer groot, te klein om met het blote oog te zien - en om ze klein te houden in plaats van samen te smelten tot grotere druppels en uiteindelijk te scheiden van de andere vloeistof.

Typisch, in industriële processen worden deze emulsies gemaakt door de mix mechanisch te schudden of door geluidsgolven te gebruiken om intense trillingen in de vloeistof op te zetten, een proces dat ultrasoonapparaat wordt genoemd. Maar beide processen "vereisen veel energie, "Vanasi zegt, "en hoe fijner de druppels, hoe meer energie het kost." Daarentegen "onze aanpak is zeer energiezuinig, " hij voegt toe.

"De sleutel tot het overwinnen van die scheiding is om echt kleine, druppeltjes op nanoschaal, " legt Guha uit. "Als de druppels klein zijn, de zwaartekracht kan ze niet overwinnen, " en ze kunnen voor onbepaalde tijd geschorst blijven.

Voor het nieuwe proces het team zette een oliereservoir op met een toegevoegde oppervlakteactieve stof die zich kan binden aan zowel olie- als watermoleculen. Ze plaatsten dit in een kamer met zeer vochtige lucht en koelden vervolgens de olie. Als een glas koud water op een warme zomerdag, het koudere oppervlak zorgt ervoor dat de waterdamp neerslaat. Het condenserende water vormt dan druppeltjes aan het oppervlak die zich door het olie-oppervlakteactieve mengsel verspreiden, en de afmetingen van deze druppels zijn vrij uniform, het team gevonden. "Als je de chemie precies goed hebt, je kunt precies de juiste spreiding krijgen, " zegt Guha. Door het aandeel oppervlakteactieve stof in de olie aan te passen, de druppelgroottes kunnen goed worden gecontroleerd.

In de experimenten, het team produceerde emulsies op nanoschaal die gedurende een periode van enkele maanden stabiel bleven, vergeleken met de paar minuten die nodig zijn om hetzelfde mengsel van olie en water te scheiden zonder de toegevoegde oppervlakteactieve stof. "De druppeltjes blijven zo klein dat ze zelfs onder een microscoop moeilijk te zien zijn, ' zegt Guha.

In tegenstelling tot de schud- of sonicatiemethoden, die de grote nemen, scheid massa's olie en water en laat ze geleidelijk opsplitsen in kleinere druppels - een "top-down" benadering - de condensatiemethode begint meteen met de kleine druppeltjes die uit de damp condenseren, wat de onderzoekers een bottom-up benadering noemen. "Door de vers gecondenseerde waterdruppels op nanoschaal te verhullen met olie, we profiteren van de inherente aard van faseveranderings- en verspreidingsverschijnselen, ' zegt Varanasi.

"Onze bottom-up benadering van het maken van emulsies op nanoschaal is zeer schaalbaar vanwege de eenvoud van het proces, Anand zegt. "We hebben tijdens dit werk veel nieuwe fenomenen ontdekt. We hebben ontdekt hoe de aanwezigheid van oppervlakteactieve stof de olie- en waterinteracties onder dergelijke omstandigheden kan veranderen, het bevorderen van de verspreiding van olie op waterdruppels en het stabiliseren ervan op nanoschaal."

Het team zegt dat de aanpak moet werken met een verscheidenheid aan oliën en oppervlakteactieve stoffen, en nu het proces is geïdentificeerd, hun bevindingen "bieden een soort ontwerprichtlijn die iemand kan gebruiken" voor een bepaald soort toepassing, zegt Varanasi.

"Het is zo belangrijk, " hij zegt, omdat "voedingsmiddelen en geneesmiddelen altijd een houdbaarheidsdatum hebben, " en vaak heeft dat te maken met de instabiliteit van de emulsies erin. De experimenten gebruikten een bepaalde oppervlakteactieve stof die veel wordt gebruikt, maar er zijn nog veel meer soorten beschikbaar, waaronder enkele die zijn goedgekeurd voor producten van voedingskwaliteit.

In aanvulling, Guha zegt, "we stellen ons voor dat je meerdere vloeistoffen kunt gebruiken en veel complexere emulsies kunt maken." En behalve dat het in voedsel wordt gebruikt, cosmetica, en medicijnen, de methode kan andere toepassingen hebben, zoals in de olie- en gasindustrie, waar vloeistoffen zoals de boormodder die door putten wordt gestuurd, ook emulsies zijn, zegt Varanasi.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.