Des émulsions sur mesure

La mayonnaise est un exemple parfait d'émulsion composée d'une phase aqueuse et d'une phase huileuse. On mélange de l'huile et du vinaigre, de sorte que d'innombrables gouttelettes se forment. On y ajoute du jaune d'œuf comme émulsifiant, qui se dépose à la surface des gouttelettes et les stabilise. Si l'on s'y prend bien, on obtient une masse fine et crémeuse. Si l'huile est ajoutée trop rapidement (ou au mauvais moment), la mayonnaise coagule : Les gouttelettes ne sont pas assez stables, elles fusionnent et les phases se séparent.

Jusqu'à présent, la recherche sur les matériaux a eu autant de mal à créer des interfaces contrôlées de gouttelettes dans des mélanges à deux phases avec des stabilisateurs ou des émulsifiants que certains cuisiniers amateurs à obtenir une mayonnaise parfaite. Ces interfaces "renforcées" sont importantes, car elles stabilisent les gouttelettes et, en fin de compte, l'émulsion correspondante. Jusqu'à présent, les scientifiques n'ont pas réussi à réguler à la fois l'étendue de la couverture des particules et la composition des particules des couches limites de ces gouttelettes.

Couvrir les gouttelettes comme on le souhaite

Désormais, le "problème de la mayonnaise" devrait toutefois être résolu : Des chercheurs en matériaux de l'ETH Zurich et de l'Université belge de Louvain, sous la direction du professeur de l'ETH Jan Vermant, ont mis au point une nouvelle méthode leur permettant de recouvrir et de façonner de manière ciblée et selon leurs souhaits ces interfaces de gouttelettes dans les émulsions avec les particules les plus diverses. Le procédé vient d'être publié dans la revue spécialisée en ligne "page externeNature Communications"a été présenté dans le cadre de la conférence. Le groupe d'André Studart a également participé à la publication.

"Avec l'approche classique - mélanger deux liquides et un émulsifiant, agiter et observer le résultat - il est impossible de disposer des quantités définies d'un émulsifiant à l'interface des gouttelettes", souligne Vermant. "C'est là que le hasard intervient".

Mais avec la nouvelle méthode, il est désormais possible de calculer et de régler à l'avance la quantité de particules nécessaire pour atteindre le degré de couverture souhaité. Les chercheurs ont également presque autant de possibilités que souhaité quant aux particules qu'ils veulent utiliser et à leur taille. En règle générale, ils utilisent des particules de silicate sphériques. Mais pour le test, ils ont également utilisé des particules en forme de vers ou de bâtonnets. Les protéines ou les polymères sont désormais également envisagés comme émulsifiants.

"Cette approche nous ouvre des possibilités insoupçonnées pour créer de nouveaux matériaux", explique Vermant.

L'arrangement microfluidique le rend possible

La base de leur méthode est une plateforme microfluidique de la taille d'une lame de microscope. A l'aide de cette plateforme, les chercheurs créent de minuscules gouttelettes. Pendant que celles-ci se forment, une deuxième phase s'écoule avec des particules qui se fixent à l'interface des gouttelettes.

Les chercheurs contrôlent la quantité de particules par la vitesse d'écoulement à laquelle la phase particulaire s'écoule autour des gouttelettes en formation. Enfin, cette couche est entourée par la phase dans laquelle les gouttelettes se déposent (c'est-à-dire l'eau dans le cas des gouttelettes d'huile ou inversement).

Les gouttelettes finies s'écoulent ensuite à travers un canal étroit et très long, qui ressemble à un radiateur. Au cours du trajet à travers ce canal, la phase qui entoure la gouttelette et qui contient les particules se dissout lentement dans la solution environnante. Les particules ont toutefois suffisamment de temps pour s'accumuler à la surface de la gouttelette et la stabiliser.

Selon le degré de couverture, certaines gouttelettes peuvent fusionner entre elles. Elles forment alors des structures semblables à des cacahuètes. La fusion modifie le rapport entre le volume et la surface, ce qui signifie que les particules ont moins de décision à prendre à l'interface. Les particules de deux gouttelettes doivent se rapprocher dans un espace plus étroit, la couverture de la double bulle devient donc plus dense. Les bulles ainsi enrobées sont stables - et donc l'émulsion aussi, dont les propriétés dépendent également de la forme et de la longueur des gouttelettes.

Jouer avec les émulsifiants

Les gouttelettes peuvent être recouvertes de particules de différents types, en fonction de leur utilisation. Les chercheurs peuvent également utiliser des particules de différentes tailles, de différentes compositions chimiques ou même de différentes polarités (hydrophobe vs hydrophile). "Notre méthode nous permet également de déterminer la forme des gouttelettes, ce qui nous permet de créer des émulsions aux propriétés impensables jusqu'à présent", se réjouit Vermant. Le principe trouvé est très robuste. "Nous avons passé dix ans à faire des recherches sur ce sujet, le problème est maintenant résolu".

Le procédé décrit ne se prête qu'à la recherche, car il ne fonctionne qu'à très petite échelle. Les chercheurs de l'ETH travaillent toutefois à le faire passer à une échelle supérieure, de manière à pouvoir traiter des quantités plus importantes. Ils sont en train de développer un appareil qui, de par sa taille et son débit, se prêterait déjà à des procédures de test dans l'industrie.

Mais à plus grande échelle encore, on peut imaginer des applications dans l'industrie alimentaire, pharmaceutique, cosmétique ou même pétrolière, par exemple pour la séparation de l'huile et de l'eau lors de l'extraction du pétrole.