Cosa hanno in comune il detersivo per piatti e le padelle antiaderenti? Oltre al fatto che uno serve per pulire l'altro dopo la cottura, entrambi gli articoli per la casa traggono la loro utilità influenzando le proprietà fisiche dei fluidi e le superfici con cui i fluidi entrano in contatto.

Il detersivo per piatti rimuove l'olio dalle superfici perché la sua composizione chimica è costituita da un gruppo idrorepellente (idrofobico) che si lega preferenzialmente all'olio, e un gruppo "amante dell'acqua" (idrofilo) che si lega preferenzialmente all'acqua. Questo riduce efficacemente la tensione superficiale dell'olio, permettendo di risciacquare facilmente.

D'altra parte, le padelle antiaderenti sono generalmente rivestite con un materiale noto come politetrafluoroetilene, meglio noto come Teflon, che è estremamente idrofobo. Praticamente qualsiasi cosa scivola via dalle superfici rivestite di teflon perché le forze adesive tra il teflon e molti altri materiali o molecole sono quasi trascurabili.

I tensioattivi come il detersivo per piatti e materiali come il teflon hanno altri usi oltre alle banali faccende domestiche. Infatti, sono coinvolti in tutta una serie di processi industriali, compresa l'estrazione del petrolio greggio e la prevenzione delle incrostazioni nei dispositivi biomedici. Per soddisfare esigenze industriali così diverse, Gli scienziati di A*STAR esplorano costantemente nuovi materiali e tecniche per modificare il modo in cui i fluidi interagiscono tra loro e con le superfici.

Indizi dalla natura

Mentre l'ingegno umano è stato la fonte di molti metodi sintetici per controllare il modo in cui l'olio e l'acqua interagiscono, la natura è spesso un inventore più grande, come Nanji Hadia, un ricercatore presso l'Istituto di scienze chimiche e ingegneristiche di A*STAR (ICES), scoperto.

Lavorando sul problema dell'estrazione del petrolio greggio, Hadia era alla ricerca di modi più rispettosi dell'ambiente per recuperare l'olio residuo nei giacimenti. "Nella maggior parte dei giacimenti di petrolio, una grande quantità di petrolio rimane irrecuperabile perché è bloccata nelle gole dei pori su scala micron delle rocce serbatoio, " ha detto Hadia. "Le forze capillari sono un fattore chiave che trattiene l'olio in queste gole minuscole".

Per massimizzare la quantità di petrolio greggio che può essere recuperato da ciascun pozzo petrolifero, l'industria petrolifera ha sviluppato un approccio noto come recupero avanzato del petrolio. "Un tipo di recupero dell'olio avanzato prevede l'uso di tensioattivi per superare le forze capillari che trattengono l'olio in posizione e consentire all'olio e all'acqua di mescolarsi in emulsioni che possono quindi fluire più facilmente attraverso i pori, "ha detto Hadia.

Però, molti tensioattivi sintetici esistenti includono solfati e solfonati che non sono sempre biodegradabili e pongono problemi ambientali. "A causa delle restrizioni ambientali sempre più stringenti, è una priorità per l'industria dell'esplorazione e della produzione di petrolio spostarsi verso tensioattivi verdi, "ha notato Hadia.

Hadia ha quindi deciso di prendere una foglia dal manuale di innovazione della natura, collaborando con il suo collega Christoph Ottenheim per produrre molecole naturali simili a tensioattivi da batteri, chiamati anche biosurfattanti. Due tipi di biotensioattivi sono stati ampiamente studiati nel contesto di un maggiore recupero dell'olio:glicolipidi, che sono molecole di grasso a cui è attaccata una catena di zucchero; e lipopeptidi, molecole di grasso con una corta catena di amminoacidi (i mattoni di base delle proteine) attaccati ad esse.

Togliendo la tensione

Nel loro studio, Hadia e Ottenheim si sono concentrati su un lipopeptide chiamato surfattina, prodotto dalla famiglia di batteri Bacillus. "Le surfatine sono note per la loro capacità di ridurre drasticamente la tensione interfacciale tra olio e acqua, Hadia ha detto. Ma produrre surfattini in quantità sufficientemente grandi senza incorrere in costi astronomici rimane un problema difficile da risolvere ed è una considerazione importante per l'industria della produzione di petrolio.

Attualmente, la surfattina si ottiene per fermentazione, per cui i Bacillus sono dotati di una specifica miscela di nutrienti e mantenuti a un pH preciso, condizioni di temperatura e di aerazione che favoriscono la sintesi della surfattina. "Nel nostro caso, abbiamo usato ceppi di Bacillus subtilis 22.2 e li abbiamo lasciati fermentare un brodo nutriente durante la notte a 30°C, " ha spiegato Ottenheim. Il prodotto di fermentazione conteneva una miscela di surfattini, con una resa inferiore a 1 g/L di brodo.

Valutare l'effetto della loro miscela di surfattina su due greggi da serbatoio di scorta, i ricercatori hanno scoperto che una bassa concentrazione di surfattina dello 0,025% era in grado di ridurre la tensione interfacciale di entrambi gli oli da cento a mille volte, facilitando così la formazione di emulsioni olio in acqua. Questo a sua volta consente all'olio di fluire facilmente dalle gole dei pori.

Per imitare meglio le condizioni del mondo reale in cui la miscela di surfattina dovrebbe funzionare, Il team di Hadia ha anche effettuato esperimenti di coreflooding intrappolando petrolio nell'arenaria di Berea, un materiale naturale poroso di arenaria, poi cercando di recuperare l'olio. "Siamo stati in grado di recuperare l'1,5-5% in più di petrolio iniettando una soluzione di surfattina allo 0,1% nei campioni di roccia [rispetto a quando la surfattina non è stata utilizzata], "ha detto Hadia.

Parte di questo miglioramento potrebbe anche essere attribuito al fatto che la surfattina ha modificato la bagnabilità dei campioni di roccia per renderli più bagnati dall'acqua (nello stesso modo in cui funziona il detersivo per piatti), permettendo all'olio di essere lavato via con acqua. Presi insieme, le surfattini rappresentano una soluzione fattibile e più rispettosa dell'ambiente per un maggiore recupero del petrolio nell'industria petrolifera, ha notato Hadia.

Uno sport di contatto

La capacità di regolare la bagnabilità della superficie è altrettanto utile al di fuori del campo del recupero dell'olio. Per esempio, nella microfluidica, che coinvolge liquidi che passano attraverso canali molto piccoli, la bagnabilità di quei canali influenza significativamente il modo in cui i liquidi scorrono al loro interno, o se le cellule biologiche possono aderire alle superfici dei canali per scopi organ-on-chip.

Invece di applicare un rivestimento (come Teflon o surfattina), un'altra strategia per modificare la bagnabilità della superficie è attraverso l'uso di laser. I ricercatori guidati da Zhongke Wang, un ricercatore presso il Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) di A*STAR, hanno utilizzato l'irradiazione laser per controllare con precisione la bagnabilità del policarbonato, un tipo di plastica trasparente e biocompatibile.

"Finora, la maggior parte delle tecniche esistenti può solo aumentare o diminuire la bagnabilità del policarbonato, ma non sintonizzare la bagnabilità in entrambi i modi, "Wang ha detto, aggiungendo che i metodi attuali mancano anche della flessibilità necessaria per creare angoli di contatto arbitrari tra superfici in policarbonato e liquidi. Un angolo di contatto superiore a 90° significa che una superficie è idrofoba, mentre un angolo di contatto inferiore a 90° indica che una superficie è idrofila. In altre parole, una superficie idrofila ha una bagnabilità maggiore di una idrofoba.

Utilizzando un laser a femtosecondi, così chiamato perché emette impulsi ultracorti di luce focalizzata, Il team di Wang è stato in grado di rendere le superfici in policarbonato idrofobe o idrofile in varia misura, a seconda di parametri come l'intensità del laser, il numero di impulsi laser applicati e la velocità di scansione del laser.

Per esempio, un'elevata velocità di scansione di 0,5 mm/s con un numero di impulsi di 60 ha determinato un angolo di contatto di oltre 150° tra il policarbonato e una goccia d'acqua di 0,5 mm, il che significa che il policarbonato è diventato superidrofobo. D'altra parte, una velocità di scansione inferiore di 29 mm/s con meno impulsi ha determinato un angolo di contatto inferiore a 5°, indicativo di una superficie superidrofila.

"I cambiamenti nei legami chimici sulla superficie del policarbonato a seguito di diverse condizioni di irradiazione laser determinano la bagnabilità della superficie scansionata al laser. I gruppi polari indotti dall'irradiazione laser hanno portato a una superficie idrofila, mentre i gruppi non polari indotti dall'irradiazione laser hanno prodotto una superficie idrofoba, "Ha spiegato Wang.

Alla ricerca di sinergie

Avendo dimostrato che la superficie del policarbonato è chimicamente e fisicamente alterata dal laser a femtosecondi, i ricercatori volevano testare la stabilità delle proprietà della superficie nel contesto della microfluidica. Nella microfluidica, l'ultrasonicazione, l'applicazione di onde sonore ad alta frequenza, è comunemente usata per risciacquare i minuscoli canali in presenza di acqua o sostanze chimiche.

Il team di Wang ha scoperto che la rugosità delle superfici idrofobe è stata aumentata dall'ultrasonicazione con acqua ed etanolo. In contrasto, la rugosità delle superfici idrofile è diminuita. I ricercatori hanno anche notato che l'idrofobicità e l'idrofilia delle superfici in policarbonato trattate con laser diminuivano dopo l'ultrasonicazione con acqua ed etanolo.

"Pensiamo che ci siano due possibilità per il cambiamento della bagnabilità della superficie post-trattamento:l'ultrasuono potrebbe aver rimosso i detriti dalle superfici trattate con il laser, o l'ultrasonicazione potrebbe aver comportato ulteriori modifiche ai legami chimici sulla superficie del policarbonato, " Wang ha spiegato. Ha aggiunto che saranno necessari futuri esperimenti utilizzando la spettroscopia fotoelettronica a raggi X per chiarire se si sono effettivamente verificati cambiamenti ai legami chimici dopo l'ultrasonicazione.

I risultati del lavoro di Wang potrebbero avere implicazioni per la ricerca di Hadia poiché la microfluidica è utile per la visualizzazione del flusso su scala molto ridotta. "Nel caso di studi avanzati sul recupero del petrolio, la microfluidica aiuta i ricercatori a comprendere lo spostamento di un fluido da un altro in un chip microfluidico di vetro contenente una rete di pori che rappresenta un campione di roccia porosa, "Hadia ha detto. Quindi, mentre Wang e Hadia potrebbero studiare problemi diversi, i loro campi di ricerca si sovrappongono sottilmente e generano sinergie.

Entrambi gli scienziati offrono anche diversi approcci alla modifica della superficie, sia attraverso mezzi chimici (rivestimento con surfattina) o metodi fisici (laser). Le loro scoperte aprono la strada a una maggiore efficienza e a un minore impatto ambientale dei processi industriali, esemplificando come la ricerca e lo sviluppo possono produrre soluzioni ingegnose per alcuni dei problemi più impegnativi della società.