Los investigadores de materiales ETH están desarrollando un método con el que pueden recubrir gotitas con una composición interfacial controlada y una cobertura bajo demanda en una emulsión para estabilizarlas. Al hacerlo, están cumpliendo un sueño de larga data de los investigadores y la industria.

La mayonesa es un excelente ejemplo de una emulsión que consta de una fase acuosa y una fase oleosa. El aceite y el vinagre se mezclan para formar innumerables gotas. Se agrega yema de huevo como emulsionante que recubre la superficie de las gotitas, y por lo tanto actúa para estabilizarlos. Hecho correctamente, una multa, se forma una mezcla cremosa. Si el aceite se agrega demasiado rápido (o en el momento equivocado), la mayonesa se congela:las gotas no son lo suficientemente estables, se disuelven, y las fases se separan.

Hasta ahora, los investigadores de materiales han tenido tantos problemas como los cocineros aficionados al tratar de hacer la mayonesa perfecta para producir interfaces controladas de gotitas en mezclas de dos fases con estabilizadores o emulsionantes. Estas interfaces "reforzadas" son importantes porque estabilizan las gotitas y, en última instancia, la respectiva emulsión. Hasta ahora, los investigadores no han logrado regular con éxito ni la extensión de la cobertura de partículas ni la composición de las partículas en las interfaces de dichas gotas.

Cubra las gotas como desee

Pero este "rompecabezas de la mayonesa" puede haber sido resuelto:investigadores de materiales de ETH Zurich y la Universidad Belga de Lovaina (KU Leuven), trabajando bajo la dirección del profesor Jan Vermant de ETH, han desarrollado un nuevo método con el que pueden apuntar a las interfaces de las gotas en las emulsiones para recubrirlas y diseñarlas con las partículas más diversas. Este método acaba de ser presentado en la revista científica en línea. Comunicaciones de la naturaleza .

"Utilizando el enfoque clásico:mezclar dos líquidos con un emulsionante, agitando y viendo el resultado:es imposible disponer cantidades definidas de un emulsionante en la interfaz de las gotas, "enfatiza Vermant." Hay un elemento de azar ".

Con el nuevo método, ahora es posible calcular por adelantado y establecer la cantidad de partículas necesarias para lograr el grado de cobertura correcto. Los investigadores también han encontrado arbitrariamente muchas opciones diferentes para las partículas que pretenden usar y el tamaño que pueden tener. Las partículas esféricas de sílice son las más utilizadas, pero para la prueba también utilizaron partículas en forma de gusano o de varilla. Las proteínas y los polímeros ahora también son opciones para su uso como emulsionantes.

"Este enfoque abre oportunidades inimaginables que podemos utilizar para crear nuevos materiales, "dice el profesor de ETH Vermant.

Disposición de microfluidos versátil

Su método se basa en una plataforma de microfluidos del tamaño de un portaobjetos de microscopio. Los investigadores pueden producir pequeñas gotas utilizando esta plataforma. Mientras se forman las gotas, la segunda fase comienza con las partículas que se adhieren a las interfaces de las gotas.

Los investigadores controlan la cantidad de partículas utilizando la velocidad de flujo con la que la fase de partículas se mueve a través de las gotas en desarrollo. Finalmente, esta capa está rodeada por la fase en la que las gotas se detienen (agua en el caso de las gotas de aceite, o viceversa).

Las gotas terminadas fluyen luego a través de un canal estrecho y muy largo con forma de radiador. Mientras viaja a través de este canal, la fase que rodea las gotitas que contiene las partículas se disuelve gradualmente en la solución circundante. Pero queda tiempo suficiente para que las partículas cubran las interfaces de las gotas y las estabilicen.

Dependiendo del propósito previsto, las gotitas se pueden cubrir con varios tipos de partículas. Los investigadores también pueden utilizar partículas de diferentes tamaños, varias composiciones químicas o incluso diferentes polaridades (hidrófoba frente a hidrófila).

Juega con emulgadores

Las gotitas individuales pueden fusionarse dependiendo del grado de cobertura. Esto da como resultado formas parecidas a las de los cacahuetes. La coalescencia cambia la relación entre el volumen y el área de la superficie, lo que significa que hay menos espacio disponible para las partículas en la interfaz. Las partículas que cubren dos gotas se ven obligadas a moverse juntas en un área más pequeña, y la cobertura de la gota doble aumenta en densidad. Las gotitas recubiertas se estabilizan de esta manera, al igual que la emulsión, cuyas propiedades también se derivan de la forma y longitud de las gotas.

"También podemos determinar la forma de las gotas con nuestro método, permitiéndonos crear emulsiones con propiedades antes inconcebibles ", Vermant entusiasma. El principio recién descubierto es muy robusto. "Hemos estado trabajando en esto durante diez años, y ahora el problema está resuelto ".

El método descrito aquí solo es adecuado para la investigación porque solo funciona a una escala muy pequeña. Sin embargo, los investigadores de ETH están trabajando para escalarlo para procesar cantidades más grandes. Están desarrollando un aparato que ya sería adecuado para métodos de prueba industriales basados ​​en la venta y el rendimiento.

En una escala aún mayor, aplicaciones en la comida, farmacéutico, cosmética e incluso la industria petrolera, por ejemplo, separar aceite y agua durante la extracción de aceite, sería posible.