L'esperienza comune ci dice che olio e acqua non si mescolano. Tuttavia, si scopre che possono mescolarsi quando l'olio viene disperso sotto forma di piccole goccioline nell'acqua. Questo strano comportamento ha a lungo irritato gli scienziati perché non c'è alcuna spiegazione per questo. Un team di scienziati dell'EPFL e dell'ICTP ha studiato questa domanda utilizzando una nuova tecnologia ottica e ha scoperto il meccanismo mediante il quale questi due composti neutri e immiscibili possono effettivamente mescolarsi e formare emulsioni. La risposta sta nella distribuzione della carica elettrica all'interfaccia.

Per più di cento anni, i chimici si sono posti questa domanda:come possono esistere minuscole goccioline di olio nell'acqua senza molecole stabilizzanti? "Dopo tutto, le molecole d'acqua hanno interazioni così forti e favorite tra loro che non amano incorporare molecole che non partecipano a queste interazioni", afferma la prof.ssa Sylvie Roke, ricercatrice principale dello studio.

Infatti, olio e acqua si segregano l'uno dall'altro quando semplicemente mescolati. Tuttavia, con un sufficiente apporto di energia sotto forma di ultrasuoni, goccioline di olio con dimensioni inferiori a 1 micron si formano in acqua pura e continuano ad esistere per diverse settimane o mesi. Curiosamente, quando poste in un campo elettrico, le goccioline si muovono verso l'elettrodo positivo. Pertanto, la miscelazione di olio neutro e acqua neutra produce goccioline di olio caricate negativamente. Non sorprende che la fonte di questa accusa inaspettata sia stata molto dibattuta.

Il team di scienziati del Laboratorio di BioFotonica fondamentale (LBP) della scuola di ingegneria dell'EPFL guidato dal prof. Roke, in collaborazione con il Dr. Ali Hassanali dell'International Center of Theoretical Physics (ICTP), Trieste ha trovato la fonte della carica negativa studiando sia la carica che la struttura molecolare delle goccioline interfacciali di olio e acqua. I loro risultati sono stati pubblicati su Scienza .

Legami idrogeno impropri

Si scopre che la risposta a questo enigma di vecchia data risiede nell'interfaccia tra le gocce di olio e l'acqua. Le molecole d'acqua preferiscono donare e accettare cariche elettriche dai loro vicini attraverso un'interazione nota come legame idrogeno. Tuttavia, quando sono vicini alle molecole di olio sulla superficie delle goccioline, non riescono più a trovare abbastanza vicini d'acqua con cui legarsi a idrogeno. Invece, queste molecole d'acqua donano le loro cariche elettriche squilibrate alle molecole di olio sulla superficie delle goccioline. Questo studio rivela che l'interazione acqua-olio avviene attraverso un cosiddetto legame idrogeno improprio. Questo è un debole legame idrogeno tra olio e acqua e, sebbene debole, molti di questi stabilizzeranno la gocciolina.

Per svelare questo meccanismo, il team di Roke ha utilizzato una tecnica ottica ultraveloce. "Due impulsi laser ultracorti sono stati sovrapposti su una miscela di goccioline di olio e acqua. Quando lo facciamo, nuovi fotoni vengono generati e dispersi dall'interfaccia delle goccioline. Questi fotoni hanno la frequenza somma dei due raggi laser in entrata e riferiscono sui legami vibrazionali all'interfaccia, ovvero il movimento degli atomi all'interno delle molecole interfacciali. Questo ci parla della struttura e delle interazioni tra olio e acqua", spiega Roke. Su scala molecolare, l'interfaccia tra le goccioline di olio e l'acqua ha forti somiglianze con le interfacce coinvolte nel ripiegamento delle proteine ​​o nella formazione di membrane biologiche. Pertanto, questi risultati sulla struttura dell'interfaccia goccia d'olio/acqua non solo soddisfano la nostra curiosità per le complesse complessità dell'acqua, ma hanno anche implicazioni per la comprensione delle interazioni attraverso la biologia e la chimica.