La riluttanza dell'olio e dell'acqua a mescolarsi e rimanere così è così nota che è diventata un cliché per descrivere due cose che non vanno bene insieme. Ora, una nuova scoperta dei ricercatori del MIT potrebbe capovolgere quell'espressione, fornendo un modo per far miscelare le due sostanze e rimanere stabili per lunghi periodi, senza bisogno di agitazione. Il processo può trovare applicazioni nei prodotti farmaceutici, cosmetici, e alimenti trasformati, tra le altre aree.

Il nuovo processo prevede il raffreddamento di un bagno d'olio contenente una piccola quantità di un tensioattivo (una sostanza simile al sapone), e quindi lasciare che il vapore acqueo dell'aria circostante si condensi sulla superficie dell'olio. Gli esperimenti hanno dimostrato che questo può produrre piccoli, gocce d'acqua uniformi sulla superficie che poi affondano nell'olio, e la loro dimensione può essere controllata regolando la proporzione di tensioattivo. Le scoperte, dalla studentessa laureata del MIT Ingrid Guha, l'ex postdoc Sushant Anand, e professore associato Kripa Varanasi, sono riportati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Come sa chiunque abbia mai usato il condimento per l'insalata, non importa quanto vigorosamente venga agitato il composto, l'olio e l'aceto (una soluzione a base di acqua) si separeranno in pochi minuti. Ma per molti usi, compresi nuovi sistemi di somministrazione dei farmaci e metodi di lavorazione degli alimenti, è importante essere in grado di ottenere olio nell'acqua (o acqua nell'olio) per formare minuscole goccioline, larghe solo poche centinaia di nanometri, troppo piccoli per essere visti ad occhio nudo e per farli rimanere piccoli piuttosto che fondersi in goccioline più grandi e alla fine separarsi dall'altro liquido.

Tipicamente, nei processi industriali queste emulsioni sono realizzate agitando meccanicamente la miscela o utilizzando onde sonore per creare intense vibrazioni all'interno del liquido, un processo chiamato sonicazione. Ma entrambi questi processi "richiedono molta energia, "Varanasi dice, "e più fini sono le gocce, più energia ci vuole." Al contrario, "il nostro approccio è molto economico dal punto di vista energetico, " Aggiunge.

"La chiave per superare quella separazione è avere davvero piccoli, goccioline su nanoscala, "Spiega Guha. "Quando le gocce sono piccole, la gravità non può superarli, " e possono rimanere sospesi a tempo indeterminato.

Per il nuovo processo, il team ha creato un serbatoio di olio con un tensioattivo aggiunto che può legarsi sia alle molecole di olio che a quelle d'acqua. L'hanno collocato all'interno di una camera con aria molto umida e poi hanno raffreddato l'olio. Come un bicchiere di acqua fredda in una calda giornata estiva, la superficie più fredda fa precipitare il vapore acqueo. L'acqua di condensa forma quindi delle goccioline sulla superficie che si diffondono attraverso la miscela olio-tensioattivo, e le dimensioni di queste goccioline sono abbastanza uniformi, la squadra ha trovato. "Se ottieni la chimica giusta, puoi ottenere la giusta dispersione, " dice Guha. Regolando la proporzione di tensioattivo nell'olio, le dimensioni delle gocce possono essere ben controllate.

Negli esperimenti, il team ha prodotto emulsioni su scala nanometrica che sono rimaste stabili per periodi di diversi mesi, rispetto ai pochi minuti che impiegano la stessa miscela di olio e acqua a separarsi senza l'aggiunta di tensioattivo. "Le goccioline rimangono così piccole che sono difficili da vedere anche al microscopio, " dice Guha.

A differenza dei metodi di scuotimento o sonicazione, che prendono il grande, separare le masse di olio e acqua e farle gradualmente scomporre in gocce più piccole - un approccio "dall'alto verso il basso" - il metodo di condensazione inizia subito con le minuscole goccioline che si condensano fuori dal vapore, che i ricercatori chiamano un approccio dal basso verso l'alto. "Rivestendo di olio le goccioline d'acqua su scala nanometrica appena condensate, stiamo sfruttando la natura intrinseca del cambiamento di fase e dei fenomeni di diffusione, "Dice Varanasi.

"Il nostro approccio dal basso verso l'alto per la creazione di emulsioni su scala nanometrica è altamente scalabile grazie alla semplicità del processo, "Anand dice. "Abbiamo scoperto molti nuovi fenomeni durante questo lavoro. Abbiamo scoperto come la presenza di tensioattivo può modificare le interazioni olio e acqua in tali condizioni, promuovere la diffusione del petrolio sulle goccioline d'acqua e stabilizzarle su scala nanometrica".

Il team afferma che l'approccio dovrebbe funzionare con una varietà di oli e tensioattivi, e ora che il processo è stato identificato, le loro scoperte "forniscono una sorta di linea guida di progettazione che qualcuno può usare" per un particolare tipo di applicazione, dice Varanasi.

"È una cosa così importante, " lui dice, perché "cibi e farmaci hanno sempre una data di scadenza, " e spesso ciò ha a che fare con l'instabilità delle emulsioni in esse contenute. Gli esperimenti hanno utilizzato un particolare tensioattivo ampiamente utilizzato, ma sono disponibili molte altre varietà, compresi alcuni approvati per prodotti alimentari.

Inoltre, Guha dice, "immaginiamo che si possano utilizzare più liquidi e realizzare emulsioni molto più complesse". E oltre ad essere utilizzato nel cibo, cosmetici, e droga, il metodo potrebbe avere altre applicazioni, come nell'industria petrolifera e del gas, dove fluidi come i "fanghi" di perforazione inviati nei pozzi sono anche emulsioni, dice Varanasi.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.