Mieszanie wody i oleju: bez użycia środków powierzchniowo czynnych – Świat Fizyki

Olej i woda słyną z tego, że się nie mieszają – przynajmniej nie bez dodania środka powierzchniowo czynnego, takiego jak mydło, aby uzyskać stabilną kombinację. Teraz jednak naukowcy we Francji i USA wywrócili tę obiegową opinię do góry nogami, pokazując, że w rzeczywistości można mieszać bez środka powierzchniowo czynnego. Odkrycie może mieć dalekosiężne implikacje dla branż intensywnie wykorzystujących takie mieszaniny, w tym dla branży spożywczej, kosmetycznej, zdrowotnej, farb i opakowań, żeby wymienić tylko kilka.

Mieszanina dwóch niemieszających się cieczy, takich jak woda i olej, nazywana jest emulsją. Kiedy emulsja jest energicznie wstrząśnięta, jeden z jej płynów składowych może rozproszyć się w postaci małych kropelek w drugim. Jeśli jednak emulsję pozostawi się w spokoju, jej składniki niezmiennie ponownie się oddzielają.

Głównym czynnikiem powodującym tę separację jest to, że w miarę jak kropelki każdej cieczy zbliżają się do siebie, łączą się w coraz większe kropelki. Aby temu zapobiec, można dodać trzeci składnik, który jest amfifilowy, co oznacza, że ​​ma powinowactwo do granicy faz pomiędzy dwoma składnikami mieszaniny. Dzisiejsze emulsje przemysłowe opierają się na zastosowaniu takich materiałów, które nazywane są środkami powierzchniowo czynnymi. Jednak wiele środków powierzchniowo czynnych jest toksycznych zarówno dla ludzi, jak i środowiska. Ograniczenie ich stosowania (lub całkowita rezygnacja z nich) byłoby zatem bardzo korzystne.

Zjawisko sprzeczne z intuicją

W najnowszej pracy badacze z Laboratorium Colloïdes et Matériaux Divisés na ESPCI w Paryżu, Francja; francuska firma Kaliksja, która specjalizuje się w projektowaniu i produkcji biodegradowalnych mikrokapsułek; I Harvard University w USA badano mieszaniny składające się wyłącznie z wody i różnych rodzajów oleju. W tych zwykle niemieszających się mieszaninach zaobserwowali ultracienkie, ale nienormalnie stabilne warstwy oleju, które spontanicznie pojawiały się pomiędzy rozproszonymi kropelkami wody.

„Zjawisko to systematycznie indukuje adhezję pomiędzy kropelkami, jednocześnie zapobiegając ich koalescencji, co pozwala nam rozproszyć duże ilości wody (80% objętościowo lub więcej) w oleju” – wyjaśnia Jerome Bibette, fizyk chemiczny i dyrektor laboratorium ESPCI, który kierował badaniami.

Stabilny przez kilka tygodni

Zjawisko szczegółowo opisane w nauka, działa najlepiej w przypadku wysoce polarnych olejów, które zawierają zarówno składniki hydrofilowe, jak i hydrofobowe i mają wysoką masę cząsteczkową. Kryteria te nie obejmują węglowodorów alifatycznych, takich jak na przykład metan i polietylen, ale obejmują oleje zawierające naprzemienne atomy tlenu i węgla – kategoria obejmująca wszystkie oleje roślinne.

Naukowcy odkryli, że oleje te mogą zmieniać swoją konfigurację, gdy tylko zostaną zamknięte pomiędzy dwiema kroplami wody, „decydując się”, aby preferencyjnie umiejscowić swoje części hydrofilowe w kierunku wody, a części hydrofobowe z dala od niej. „Ultracienka warstwa kleju powstająca w wyniku powinowactwa części hydrofobowych tworzy się samoistnie, gdy tylko zbliżają się dwie powierzchnie stykowe” – mówi Bibette. „Następnie folia nabiera ogromnej lepkości, jednocześnie zmniejszając energię swobodną granicy faz – coś, co objawia się przyleganiem kropel wody i oleju”.

Takiego spontanicznego żelowania pomiędzy dwiema niemieszającymi się cieczami nigdy wcześniej nie obserwowano – dodaje.

Ponieważ większość olejów roślinnych można polimeryzować, połączenie ich z wodą mogłoby umożliwić naukowcom wytwarzanie doskonale biodegradowalnych materiałów polimerowych. Bibette jednym z najbardziej oczywistych zastosowań, jakie przychodzi na myśl, są biodegradowalne kapsułki dla takich branż jak kosmetyki i perfumy.

Technika ta może również pozwolić naukowcom na tworzenie nowych rodzajów tworzyw sztucznych składających się z biodegradowalnych polimerów i do 90% objętościowych wody – mówi. Świat Fizyki. „Obie fazy można uzyskać (i kontrolować, aby były) jednorodne w całej mieszaninie, co mogłoby pozwolić nam na wytworzenie unikalnego, dwuciągłego, współistniejącego materiału hydrofilowego i hydrofobowego” – mówi. „Może to mieć zastosowanie w tak różnorodnych obszarach, jak inżynieria tkankowa, opakowania biodegradowalne i ogólnie materiały zastępujące tworzywa sztuczne”.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/mixing-water-and-oil-no-surfactants-needed/