Onderzoekers hebben een techniek ontwikkeld waarmee ze spontaan microscopisch kleine druppeltjes water- en olie-emulsie kunnen inkapselen in een kleine bol gemaakt van zoutkristallen - een soort minieme, zelfbouwende origami-voetbal gevuld met vloeistof. Het proces, dat ze 'crystal capillaire origami' noemen, zou op een groot aantal gebieden kunnen worden gebruikt, van nauwkeurigere medicijnafgifte tot medische apparaten op nanoschaal. De techniek wordt beschreven in een artikel dat verschijnt in het tijdschrift Nanoscale op 21 sept.

Capillaire werking, of 'capillariteit', zal bij de meeste mensen bekend zijn als de manier waarop water of andere vloeistoffen door nauwe buizen of andere poreuze materialen kunnen bewegen die schijnbaar in strijd met de zwaartekracht zijn (bijvoorbeeld in het vaatstelsel van planten, of zelfs eenvoudiger , het optrekken van verf tussen de haren van een penseel). Dit effect is te wijten aan de cohesiekrachten (de neiging van de moleculen van een vloeistof om aan elkaar te kleven), wat resulteert in oppervlaktespanning en adhesie (hun neiging om aan het oppervlak van andere stoffen te kleven). De sterkte van de capillariteit hangt af van de chemie van de vloeistof, de chemie van het poreuze materiaal en van de andere krachten die op beide inwerken. Een vloeistof met een lagere oppervlaktespanning dan water zou bijvoorbeeld niet in staat zijn om een ​​schaatsenrijder tegen te houden.

Minder bekend is een verwant fenomeen, elasto-capillariteit, dat gebruik maakt van de relatie tussen capillariteit en de elasticiteit van een zeer kleine vlakke plaat van een vast materiaal. In bepaalde omstandigheden kunnen de capillaire krachten de elastische buigweerstand van de plaat overwinnen.

Deze relatie kan worden benut om 'capillaire origami' of driedimensionale structuren te creëren. Wanneer een vloeistofdruppel op de vlakke plaat wordt geplaatst, kan deze door oppervlaktespanning spontaan de eerste inkapselen. Capillaire origami kan andere vormen aannemen, zoals kreuken, knikken of zelfvouwen in andere vormen. De specifieke geometrische vorm die de 3D-capillaire origamistructuur uiteindelijk aanneemt, wordt bepaald door zowel de chemie van de vlakke plaat als die van de vloeistof, en door zorgvuldig de vorm en grootte van de plaat te ontwerpen.

Er is echter één groot probleem met deze kleine apparaten. "Deze conventionele zelf-geassembleerde origami-structuren kunnen niet volledig bolvormig zijn en zullen altijd discontinue grenzen hebben, of wat je 'randen' zou kunnen noemen, als gevolg van de originele tweedimensionale vorm van het vel," zei Kwangseok Park, een hoofdonderzoeker aan het project. Hij voegde eraan toe:"Deze randen kunnen toekomstige defecten blijken te zijn met de mogelijkheid van falen in het licht van verhoogde stress." Het is ook bekend dat niet-bolvormige deeltjes nadeliger zijn dan bolvormige deeltjes in termen van cellulaire opname.

Professor Hyoungsoo Kim van de faculteit Werktuigbouwkunde legt uit:"Dit is de reden waarom onderzoekers al lang op zoek zijn naar stoffen die een volledig bolvormige capillaire origamistructuur kunnen produceren."

De auteurs van de studie hebben voor het eerst zo'n origamibol gedemonstreerd. Ze lieten zien hoe in plaats van een vlakke plaat de groei van zoutkristallen op een vergelijkbare manier capillaire origami-actie kan uitvoeren. Wat ze 'crystal capillaire origami' noemen, construeert spontaan een gladde bolvormige schaalcapsule uit dezelfde oppervlaktespanningseffecten, maar nu wordt de spontane inkapseling van een vloeistof bepaald door de elasto-capillaire omstandigheden van groeiende kristallen.

Hier verwijst de term 'zout' naar een verbinding van een positief geladen ion en een ander negatief geladen. Tafelzout, of natriumchloride, is slechts een voorbeeld van een zout. De onderzoekers gebruikten vier andere zouten:calciumpropionaat, natriumsalicylaat, calciumnitraattetrahydraat en natriumbicarbonaat om een ​​water-olie-emulsie te omhullen. Normaal gesproken heeft een zout zoals natriumchloride een kubusvormige kristalstructuur, maar deze vier zouten vormen in plaats daarvan plaatachtige structuren als kristallieten of 'korrels' (de microscopische vorm die ontstaat wanneer een kristal voor het eerst begint te groeien). Deze platen assembleren zichzelf vervolgens tot perfecte bollen.

Met behulp van scanning-elektronenmicroscopie en röntgendiffractie-analyse onderzochten ze het mechanisme van een dergelijke vorming en concludeerden ze dat het 'Laplace-druk' was die de kristallietplaten ertoe aanzet om het emulsieoppervlak te bedekken. Laplace-druk beschrijft het drukverschil tussen de binnen- en buitenkant van een gekromd oppervlak, veroorzaakt door de oppervlaktespanning op het grensvlak tussen de twee stoffen, in dit geval tussen het zoute water en de olie.

De onderzoekers hopen dat deze zelfassemblerende nanostructuren kunnen worden gebruikt voor inkapselingstoepassingen in verschillende sectoren, van de voedingsindustrie en cosmetica tot medicijnafgifte en zelfs kleine medische apparaten. + Verder verkennen

Op de natuur geïnspireerde coatings kunnen kleine scheikundelaboratoria van stroom voorzien voor medische tests en meer