Les chercheurs en matériaux ETH développent une méthode avec laquelle ils peuvent enrober des gouttelettes avec une composition interfaciale contrôlée et une couverture à la demande dans une émulsion afin de les stabiliser. Ce faisant, ils réalisent un rêve de longue date des chercheurs et de l'industrie.

La mayonnaise est un excellent exemple d'émulsion composée d'une phase aqueuse et d'une phase huileuse. L'huile et le vinaigre sont mélangés pour former d'innombrables gouttelettes. Le jaune d'œuf est ajouté comme émulsifiant qui recouvre la surface des gouttelettes, et agit ainsi pour les stabiliser. Fait correctement, une amende, un mélange crémeux se forme. Si l'huile est ajoutée trop rapidement (ou au mauvais moment), la mayonnaise se fige :les gouttelettes ne sont pas assez stables, ils se dissolvent, et les phases se séparent.

Jusqu'à présent, les chercheurs en matériaux ont eu autant de mal que les chefs amateurs à essayer de faire la mayonnaise parfaite en produisant des interfaces contrôlées de gouttelettes dans des mélanges biphasiques avec des stabilisants ou des émulsifiants. Ces interfaces "renforcées" sont importantes car elles stabilisent les gouttelettes et finalement l'émulsion respective. Jusqu'à maintenant, les chercheurs n'ont réussi à réguler ni l'étendue de la couverture particulaire ni la composition des particules dans les interfaces de telles gouttelettes.

Couvrir les gouttelettes comme vous le souhaitez

Mais ce « puzzle de la mayonnaise » a peut-être été résolu :des chercheurs en matériaux de l'ETH Zurich et de l'Université belge de Louvain (KU Leuven), travaillant sous la direction du professeur Jan Vermant de l'ETH, ont développé une nouvelle méthode avec laquelle ils peuvent cibler les interfaces des gouttelettes dans les émulsions afin de les enrober et de les concevoir avec les particules les plus diverses. Cette méthode vient d'être présentée dans la revue scientifique en ligne Communication Nature .

"En utilisant l'approche classique - mélanger deux liquides avec un émulsifiant, secouant et voyant le résultat - il est impossible d'arranger des quantités définies d'un émulsifiant dans l'interface des gouttelettes, " souligne Vermant. " Il y a une part de hasard. "

Avec la nouvelle méthode, il est désormais possible de calculer à l'avance et de définir la quantité de particules nécessaire pour atteindre le bon degré de couverture. Les chercheurs ont également trouvé arbitrairement de nombreuses options différentes pour les particules qu'ils ont l'intention d'utiliser et la taille qu'ils peuvent avoir. Les particules de silice sphériques sont les plus couramment utilisées, mais pour les tests, ils ont également utilisé des particules en forme de ver ou de bâtonnet. Les protéines et les polymères sont désormais également des options pour une utilisation comme émulsifiants.

« Cette approche ouvre des opportunités insoupçonnées que nous pouvons utiliser pour créer de nouveaux matériaux, " dit le professeur de l'ETH Vermant.

Disposition microfluidique polyvalente

Leur méthode est basée sur une plateforme microfluidique de la taille d'une lame de microscope. Les chercheurs peuvent produire de minuscules gouttelettes en utilisant cette plate-forme. Pendant que les gouttelettes se forment, la deuxième phase commence par les particules qui se fixent aux interfaces des gouttelettes.

La quantité de particules est contrôlée par les chercheurs en utilisant la vitesse d'écoulement avec laquelle la phase particulaire se déplace à travers les gouttelettes en développement. Finalement, cette couche est entourée par la phase de repos des gouttelettes (eau dans le cas des gouttelettes d'huile, ou vice versa).

Les gouttelettes finies s'écoulent ensuite dans un canal étroit et très long en forme de radiateur. En empruntant ce canal, la phase entourant les gouttelettes qui contient les particules se dissout progressivement dans la solution environnante. Mais il reste suffisamment de temps pour que les particules recouvrent les interfaces des gouttelettes et stabilisent les gouttelettes.

Selon le but recherché, les gouttelettes peuvent être recouvertes de divers types de particules. Les chercheurs peuvent également utiliser des particules de différentes tailles, diverses compositions chimiques ou même différentes polarités (hydrophobe vs hydrophile).

Jouez avec les émulateurs

Les gouttelettes individuelles peuvent fusionner en fonction du degré de couverture. Cela donne des formes ressemblant à des cacahuètes. La coalescence modifie le rapport volume/surface, ce qui signifie qu'il y a moins d'espace disponible pour les particules sur l'interface. Les particules recouvrant deux gouttelettes sont forcées de se déplacer ensemble sur une plus petite surface, et la couverture de la double goutte augmente en densité. Les gouttelettes enrobées sont ainsi stabilisées, l'émulsion aussi, dont les propriétés découlent également de la forme et de la longueur des gouttelettes.

"Nous pouvons également déterminer la forme des gouttelettes à l'aide de notre méthode, nous permettant de créer des émulsions aux propriétés auparavant inconcevables", s'enthousiasme Vermant. Le principe nouvellement découvert est très robuste. "Nous travaillons là-dessus depuis dix ans, et maintenant le problème est résolu."

La méthode décrite ici ne convient qu'à la recherche car elle ne fonctionne qu'à très petite échelle. Cependant, les chercheurs de l'ETH travaillent à l'étendre pour traiter de plus grandes quantités. Ils développent un appareil qui serait déjà adapté aux méthodes d'essais industrielles basées sur la vente et le débit.

A plus grande échelle, applications dans l'alimentation, pharmaceutique, les cosmétiques et même l'industrie pétrolière, par exemple séparer le pétrole et l'eau lors de l'extraction du pétrole, serait possible.