Emulsioni personalizzate

La maionese è un ottimo esempio di emulsione composta da una fase acquosa e una oleosa. L'olio e l'aceto vengono mescolati per formare innumerevoli goccioline. Il tuorlo d'uovo viene aggiunto come emulsionante, che si applica alla superficie delle goccioline e le stabilizza. Se l'operazione viene eseguita correttamente, il risultato è una miscela fine e cremosa. Se l'olio viene aggiunto troppo rapidamente (o al momento sbagliato), la maionese caglia: Le gocce non sono abbastanza stabili, si fondono e le fasi si separano.

Così come molti cuochi dilettanti lottano per fare la maionese perfetta, finora la ricerca sui materiali ha lottato anche per creare interfacce controllate tra le goccioline in miscele bifasiche usando stabilizzatori o emulsionanti. Queste interfacce "rinforzate" sono importanti perché stabilizzano le goccioline e, in ultima analisi, l'emulsione corrispondente. Ad oggi, gli scienziati non sono riusciti a regolare né l'estensione della copertura delle particelle né la composizione delle particelle degli strati limite di tali goccioline.

Ricoprire le goccioline come desiderato

Ora, però, il "problema della maionese" potrebbe essere stato risolto: I ricercatori sui materiali dell'ETH di Zurigo e dell'Università belga di Lovanio, guidati dal professore dell'ETH Jan Vermant, hanno sviluppato un nuovo metodo con cui possono coprire e modellare in modo mirato e desiderato queste interfacce di gocce nelle emulsioni con un'ampia varietà di particelle. Il metodo è stato appena pubblicato sulla rivista online "pagina esternaComunicazioni sulla naturaÈ stato presentato "D-MAVT: Ingegneria meccanica e di processo". Anche il gruppo di André Studart è stato coinvolto nella pubblicazione.

"Con l'approccio classico - mescolare due liquidi e un emulsionante, agitare e osservare il risultato - è impossibile disporre quantità definite di un emulsionante nell'interfaccia delle gocce", sottolinea Vermant. "Il caso gioca un ruolo importante".

Con il nuovo metodo, tuttavia, è ora possibile calcolare e impostare in anticipo la quantità di particelle necessaria per ottenere il grado di copertura desiderato. I ricercatori hanno inoltre possibilità quasi illimitate per quanto riguarda le particelle da utilizzare e le loro dimensioni. Di norma, utilizzano particelle di silicato sferiche. Tuttavia, per i test hanno utilizzato anche particelle a forma di verme o di bastone. Anche le proteine o i polimeri possono essere utilizzati come emulsionanti.

"L'approccio apre possibilità inimmaginabili per la creazione di nuovi materiali", spiega Vermant.

La disposizione microfluidica lo rende possibile

Il loro metodo si basa su una piattaforma microfluidica delle dimensioni di un vetrino da microscopio. I ricercatori utilizzano questa piattaforma per generare minuscole goccioline. Mentre queste gocce vengono create, una seconda fase contenente particelle fluisce e si attacca all'interfaccia delle gocce.

I ricercatori controllano la quantità di particelle attraverso la velocità di flusso con cui la fase particellare scorre intorno alle goccioline che si formano. Infine, questo strato è circondato dalla fase in cui le goccioline si depositano (cioè acqua nel caso di goccioline di olio o viceversa).

Le gocce finite scorrono poi attraverso un canale stretto e molto lungo che assomiglia a un radiatore. Durante il percorso attraverso questo canale, la fase che circonda la gocciolina, che contiene le particelle, si dissolve lentamente nella soluzione circostante. Tuttavia, le particelle hanno il tempo sufficiente per disporsi sulla superficie della gocciolina e stabilizzarla.

A seconda del grado di copertura, le singole gocce possono fondersi tra loro. A loro volta, formano strutture simili a noccioline. La fusione cambia il rapporto tra volume e superficie, il che significa che c'è meno spazio deciso per le particelle all'interfaccia. Le particelle di due gocce devono avvicinarsi in uno spazio più ristretto, quindi la copertura della doppia vescicola diventa più densa. Le bolle così rivestite sono stabili, così come l'emulsione, le cui proprietà dipendono anche dalla forma e dalla lunghezza delle gocce.

Giocare con gli emulsionanti

Le gocce possono essere ricoperte da un'ampia varietà di particelle a seconda del loro scopo. I ricercatori possono anche utilizzare particelle di dimensioni diverse, composizioni chimiche diverse o persino polarità diverse (idrofobe o idrofile). "Possiamo anche utilizzare il nostro metodo per determinare la forma delle goccioline, il che ci permette di creare emulsioni con proprietà finora impensabili", afferma felicemente Vermant. Il principio che è stato trovato è molto solido. "Abbiamo fatto ricerche per dieci anni e ora il problema è stato risolto".

Il processo descritto è adatto solo alla ricerca, poiché funziona solo su scala molto piccola. Tuttavia, i ricercatori del Fare all'ETH stanno lavorando per scalare il processo in modo da poter lavorare quantità maggiori. Stanno sviluppando un'apparecchiatura che, in termini di dimensioni e produttività, sarebbe già adatta alle procedure di test industriali.

Su scala ancora più ampia, tuttavia, sono ipotizzabili anche applicazioni nell'industria alimentare, farmaceutica, cosmetica e petrolifera, ad esempio per separare olio e acqua durante la produzione di petrolio.