MIE-assistent-professor Sushant Anand en zijn onderzoeksmedewerkers hebben meerdere doorbraken gehad met hun werk aan olie-watermengsels of 'emulsies'. Nutsvoorzieningen, de onderzoekers hebben hun onderzoek naar een nieuw niveau getild door ultrakleine (100-400 nm in grootte) nano-emulsies te creëren die worden gevormd door zelfassemblage van nanodeeltjes rond druppeltjes.

De traditionele manier om nano-emulsies te maken heeft meerdere stappen, maar Anand en zijn team hebben een eenstapstechniek ontwikkeld om nano-emulsies te maken die sneller is, energiezuiniger, en kleiner. De resultaten van het onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in ACS Toegepaste materialen en interfaces tijdschrift onder de titel Pickering-nano-emulsies synthetiseren door dampcondensatie .

"Nanotechnologie speelt een grote rol bij het oplossen van veel problemen in de huidige tijd. Neem olie-wateremulsies als voorbeeld. 'nano' gebruiken met druppelgroottes kan een enorm verschil maken in de houdbaarheid van veel op emulsie gebaseerde producten zoals cosmetica, etenswaren, medicijnafgifte, en vele miljardenindustrieën. Meestal worden oppervlakteactieve moleculen gebruikt om te voorkomen dat druppels samenkomen. Maar dergelijke moleculen kunnen in veel gevallen nadelige effecten hebben. Dus, er is een groeiende belangstelling voor het maken van emulsies met gestabiliseerde nanodeeltjes zonder oppervlakteactieve stoffen, ' zei Anand.

De uitdaging waarmee het team werd geconfronteerd, was het maken van op nanodeeltjes gebaseerde, nano-druppel emulsies, die Pickering-emulsies worden genoemd. "Het maken van dergelijke emulsies met druppeltjes op nanoschaal is al tientallen jaren een heel grote uitdaging, ’ merkte Anand op.

In een eerder werk gepubliceerd in Natuurcommunicatie , Anand en zijn medewerkers bij MIT toonden eerder aan dat ze nano-emulsies konden maken waarbij de druppeltjes werden gestabiliseerd door oppervlakteactieve stoffen. Anand en zijn studenten vroegen zich af of de nieuwe techniek mogelijk zou kunnen worden gebruikt om Pickering-nano-emulsies te maken, dus gingen ze dat uitzoeken.

"Emulsies kunnen op veel verschillende manieren worden gemaakt, maar helaas wat werkt voor oppervlakteactieve stoffen, werkt niet per se met nanodeeltjes. Er was dus geen garantie dat we zouden slagen, " voegde Dong Jin Kang toe, een postdoc werkend onder leiding van Anand. "Maar het blijkt dat de nieuwe techniek zijn doel wel heeft bereikt."

Het proces omvat het nemen van olie en afkoelen tot onder het dauwpunt zodat water condenseert op de olie en als de olie de juiste eigenschappen heeft en voldoende concentratie aan nanodeeltjes heeft, dan zullen de waterdruppels zichzelf verspreiden in de olie en nanodeeltjes zullen zichzelf om hen heen verzamelen om nano-emulsies te maken.

"Wat we met ons werk hebben laten zien, is dat we een van de kleinste nano-emulsies met nanodeeltjes hebben gemaakt. Wat het geheel spannend maakt, is dat om die emulsies op een traditionele manier te maken, ze moesten meerdere stappen doorlopen. En ze hebben een zeer hoge deeltjesconcentratie nodig om kleine nano-emulsies te maken. Maar we zijn in staat om de emulsies in een paar minuten te maken en ze heel klein te maken - 10 keer minder concentratie dan wat eerdere mensen hebben geprobeerd te doen, " zei Anand, die de directeur is van het Anand Research Group-laboratorium bij UIC. "Onze techniek is zeer schaalbaar en kan potentieel worden gebruikt op industrieel niveau. We hebben aangetoond dat deze zeer energiezuinig is in vergelijking met de huidige technieken voor het maken van emulsies, en we waren ook in staat om een ​​raamwerk te bieden over de verschillende factoren die de grootte van emulsies bepalen."

"Deze techniek opent nieuwe poorten en kansen - van het maken van membranen tot toepassingen voor medicijnafgifte, " zei Hassan Bararnia, een promovendus die onder Anand werkt.

"We kunnen deze emulsies op andere gebieden toepassen en het kan een impact hebben op veel industrieën - de mogelijkheden zijn enorm. Op dit moment hebben we eenvoudige silica-nanodeeltjes gebruikt, maar we kunnen verschillende soorten nanodeeltjes gebruiken, zoals organische/anorganische kern-schil nanodeeltjes, ’ voegde Kang eraan toe.

Anand is het ermee eens, maar had dit te zeggen, "De mogelijkheden zijn er, maar dat geldt ook voor uitdagingen en dat is waar alle opwinding ligt - in het overwinnen ervan!"

In een gerelateerd werk dat onlangs in het tijdschrift is verschenen nanoschaal , met een adellijke titel Synthese van nanodeeltjes via borrelende dampprecursoren in bulkvloeistoffen , Kang en Anand hebben een nieuwe manier ontwikkeld om eenvoudige en complexe nanodeeltjes te maken.

"Het belangrijkste voordeel van onze techniek is dat we complexe deeltjes met uniforme eigenschappen kunnen maken, bij afwezigheid van nevenreacties en de schildikte rond nanodeeltjes heel mooi afstemmen, ' zei Anand.

Het werk van Anand en zijn team trekt de aandacht van hun collega's in de wetenschappelijke gemeenschap over de hele wereld.

"Het artikel van Dr. Anand en collega's over nano-emulsies gestabiliseerd door colloïdale deeltjes is zeer nieuw en actueel, " zei dr. Bernard Binks, een professor in de fysische chemie aan de Universiteit van Hull in het Verenigd Koninkrijk, en een wereldberoemde expert op het gebied van Pickering-emulsies. "Verkleiningsmethoden voor het breken van druppeltjes in submicron-druppels zijn zeer uitdagend gebleken. Dit werk begint met moleculaire waterdamp en laat de druppeltjes groeien tot gedefinieerde groottes die gedeeltelijk worden bepaald door de deeltjesconcentratie. Het zal van groot belang zijn voor colloïdale wetenschappers en onderzoekers in de industrie , te."