I ricercatori sui materiali dell'ETH stanno sviluppando un metodo con cui possono rivestire goccioline con composizione interfacciale controllata e copertura su richiesta in un'emulsione per stabilizzarle. In tal modo stanno realizzando un sogno di lunga data di ricercatori e industria.

La maionese è un ottimo esempio di emulsione costituita da una fase acquosa e una fase oleosa. Olio e aceto si mescolano per formare innumerevoli goccioline. Il tuorlo d'uovo viene aggiunto come emulsionante che ricopre la superficie delle goccioline, e quindi agisce per stabilizzarli. Fatto correttamente, una multa, si forma un composto cremoso. Se l'olio viene aggiunto troppo velocemente (o al momento sbagliato), la maionese si rapprende:le goccioline non sono abbastanza stabili, si dissolvono, e le fasi si separano.

Finora i ricercatori sui materiali hanno avuto gli stessi problemi degli chef dilettanti nel cercare di creare la maionese perfetta nella produzione di interfacce controllate di goccioline in miscele a due fasi con stabilizzanti o emulsionanti. Queste interfacce "rinforzate" sono importanti perché stabilizzano le goccioline e in definitiva la rispettiva emulsione. Fino ad ora, i ricercatori non sono riusciti a regolare con successo né l'estensione della copertura delle particelle né la composizione delle particelle nelle interfacce di tali goccioline.

Coprire le gocce come desiderato

Ma questo "puzzle della maionese" potrebbe essere stato risolto:ricercatori sui materiali dell'ETH di Zurigo e dell'Università belga di Leuven (KU Leuven), lavorando sotto la direzione del professor Jan Vermant dell'ETH, hanno sviluppato un nuovo metodo con cui possono indirizzare le interfacce delle goccioline nelle emulsioni per rivestirle e progettarle con le particelle più diverse. Questo metodo è stato appena presentato sulla rivista scientifica online Comunicazioni sulla natura .

"Utilizzando l'approccio classico:mescolare due liquidi con un emulsionante, agitando e vedendo il risultato - è impossibile disporre quantità definite di un emulsionante nell'interfaccia delle goccioline, " sottolinea Vermant. "C'è un elemento di fortuna".

Con il nuovo metodo è ora possibile calcolare in anticipo e impostare la quantità di particelle necessaria per ottenere il giusto grado di copertura. I ricercatori hanno anche scoperto arbitrariamente molte opzioni diverse per le particelle che intendono utilizzare e le dimensioni che possono avere. Le particelle sferiche di silice sono più comunemente usate, ma per il test usarono anche particelle a forma di verme o bastoncino. Le proteine ​​e i polimeri sono ora anche opzioni per l'uso come emulsionanti.

"Questo approccio apre opportunità inimmaginabili che possiamo utilizzare per creare nuovi materiali, " dice il professore dell'ETH Vermant.

Versatile disposizione microfluidica

Il loro metodo si basa su una piattaforma microfluidica delle dimensioni di un vetrino da microscopio. I ricercatori possono produrre minuscole goccioline utilizzando questa piattaforma. Mentre si formano le goccioline, la seconda fase inizia con le particelle che si attaccano alle interfacce delle goccioline.

La quantità di particelle è controllata dai ricercatori utilizzando la velocità di flusso con cui la fase particellare si muove attraverso le goccioline in via di sviluppo. Finalmente, questo strato è circondato dalla fase in cui le goccioline si fermano (acqua nel caso di goccioline di olio, o vice versa).

Le goccioline finite fluiscono quindi attraverso un canale stretto e molto lungo a forma di radiatore. Mentre viaggia attraverso questo canale, la fase circostante le goccioline che contiene le particelle si dissolve gradualmente nella soluzione circostante. Ma rimane abbastanza tempo per le particelle per coprire le interfacce delle goccioline e stabilizzare le goccioline.

A seconda dello scopo previsto, le goccioline possono essere ricoperte con vari tipi di particelle. I ricercatori possono anche utilizzare particelle di diverse dimensioni, varie composizioni chimiche o anche diverse polarità (idrofobico vs idrofilico).

Gioca con gli emulatori

Le singole goccioline possono fondersi a seconda del grado di copertura. Ciò si traduce in forme simili a arachidi. La coalescenza cambia il rapporto tra volume e superficie, il che significa che c'è meno spazio disponibile per le particelle sull'interfaccia. Le particelle che ricoprono due goccioline sono costrette a muoversi insieme su un'area più piccola, e la copertura della doppia goccia aumenta di densità. Le goccioline rivestite vengono stabilizzate in questo modo - e così anche l'emulsione, le cui proprietà derivano anche dalla forma e dalla lunghezza delle goccioline.

"Possiamo anche determinare la forma delle goccioline usando il nostro metodo, permettendoci di creare emulsioni con proprietà prima impensabili", entusiasma Vermant. Il principio appena scoperto è molto robusto. "Ci lavoriamo da dieci anni, e ora il problema è risolto".

Il metodo qui descritto è adatto solo per la ricerca perché funziona solo su scala molto ridotta. Però, i ricercatori dell'ETH stanno lavorando per ampliarlo per elaborare quantità maggiori. Stanno sviluppando un apparato che sarebbe già adatto per metodi di test industriali basati sulla vendita e sul rendimento.

Su scala ancora più ampia, applicazioni nel cibo, farmaceutico, cosmetici e anche l'industria petrolifera, ad esempio la separazione di olio e acqua durante l'estrazione dell'olio, sarebbe possibile.