La réticence de l'huile et de l'eau à se mélanger et à rester ainsi est si bien connue qu'elle est devenue un cliché pour décrire deux choses qui ne vont pas bien ensemble. Maintenant, une nouvelle découverte de chercheurs du MIT pourrait renverser cette expression, fournissant un moyen de mélanger les deux substances et de rester stables pendant de longues périodes - aucune agitation requise. Le procédé peut trouver des applications dans les produits pharmaceutiques, produits de beauté, et aliments transformés, entre autres domaines.

Le nouveau procédé consiste à refroidir un bain d'huile contenant une petite quantité d'un tensioactif (une substance semblable à du savon), puis laisser la vapeur d'eau de l'air environnant se condenser sur la surface de l'huile. Des expériences ont montré que cela peut produire de minuscules, des gouttelettes d'eau uniformes à la surface qui s'enfoncent ensuite dans l'huile, et leur taille peut être contrôlée en ajustant la proportion de tensioactif. Les résultats, par Ingrid Guha, étudiante diplômée du MIT, ancien post-doctorant Sushant Anand, et professeur agrégé Kripa Varanasi, sont rapportés dans le journal Communication Nature .

Comme tous ceux qui ont déjà utilisé de la vinaigrette le savent, peu importe à quel point le mélange est agité, l'huile et le vinaigre (une solution à base d'eau) se sépareront en quelques minutes. Mais pour de nombreuses utilisations, y compris de nouveaux systèmes d'administration de médicaments et de nouvelles méthodes de transformation des aliments, il est important de pouvoir obtenir de l'huile dans l'eau (ou de l'eau dans l'huile) pour former de minuscules gouttelettes—seulement quelques centaines de nanomètres de diamètre, trop petits pour être vus à l'œil nu - et pour qu'ils restent minuscules plutôt que de se fondre en gouttelettes plus grosses et de se séparer finalement de l'autre liquide.

Typiquement, dans les procédés industriels, ces émulsions sont fabriquées soit en secouant mécaniquement le mélange, soit en utilisant des ondes sonores pour créer d'intenses vibrations dans le liquide, un processus appelé sonication. Mais ces deux processus "exigent beaucoup d'énergie, " Varanasi dit, " et plus les gouttes sont fines, plus il faut d'énergie." En revanche, "notre approche est très peu énergivore, " il ajoute.

"La clé pour surmonter cette séparation est d'avoir de très petits, gouttelettes nanométriques, " explique Guha. " Quand les gouttes sont petites, la gravité ne peut pas les surmonter, " et ils peuvent rester suspendus indéfiniment.

Pour le nouveau procédé, l'équipe a mis en place un réservoir d'huile avec un tensioactif ajouté qui peut se lier à la fois aux molécules d'huile et d'eau. Ils l'ont placé à l'intérieur d'une chambre avec de l'air très humide, puis ont refroidi l'huile. Comme un verre d'eau froide par une chaude journée d'été, la surface plus froide provoque la précipitation de la vapeur d'eau. L'eau de condensation forme alors des gouttelettes à la surface qui se répandent dans le mélange huile-tensioactif, et les tailles de ces gouttelettes sont assez uniformes, l'équipe a trouvé. "Si vous obtenez la bonne chimie, vous pouvez obtenir juste la bonne dispersion, " dit Guha. En ajustant la proportion de tensioactif dans l'huile, les tailles de gouttelettes peuvent être bien contrôlées.

Dans les expériences, l'équipe a produit des émulsions nanométriques qui sont restées stables sur des périodes de plusieurs mois, par rapport aux quelques minutes qu'il faut pour que le même mélange d'huile et d'eau se sépare sans le tensioactif ajouté. "Les gouttelettes restent si petites qu'elles sont difficiles à voir même au microscope, " dit Guha.

Contrairement aux méthodes d'agitation ou de sonication, qui prennent le grand, séparer les masses d'huile et d'eau et les faire progressivement se décomposer en gouttes plus petites - une approche « descendante » - la méthode de condensation commence tout de suite avec les minuscules gouttelettes se condensant de la vapeur, que les chercheurs appellent une approche ascendante. "En masquant les gouttelettes d'eau nanométriques fraîchement condensées avec de l'huile, nous profitons de la nature inhérente des phénomènes de changement de phase et d'étalement, " dit Varanasi.

"Notre approche ascendante de création d'émulsions à l'échelle nanométrique est hautement évolutive en raison de la simplicité du processus, " Anand dit. " Nous avons découvert de nombreux phénomènes nouveaux au cours de ce travail. Nous avons découvert comment la présence de tensioactif peut modifier les interactions entre l'huile et l'eau dans de telles conditions, favorisant la propagation de l'huile sur les gouttelettes d'eau et les stabilisant à l'échelle nanométrique."

L'équipe dit que l'approche devrait fonctionner avec une variété d'huiles et de tensioactifs, et maintenant que le processus a été identifié, leurs découvertes « fournissent une sorte de guide de conception que quelqu'un peut utiliser » pour un type d'application particulier, dit Varanasi.

"C'est une chose si importante, " il dit, parce que « les aliments et les produits pharmaceutiques ont toujours une date de péremption, " et cela a souvent à voir avec l'instabilité des émulsions qu'elles contiennent. Les expériences ont utilisé un tensioactif particulier qui est largement utilisé, mais de nombreuses autres variétés sont disponibles, y compris certains qui sont approuvés pour les produits de qualité alimentaire.

En outre, Guha dit, "nous envisageons que vous puissiez utiliser plusieurs liquides et faire des émulsions beaucoup plus complexes." Et en plus d'être utilisé dans la nourriture, produits de beauté, et de la drogue, la méthode pourrait avoir d'autres applications, comme dans l'industrie pétrolière et gazière, où les fluides tels que les "boues" de forage envoyées dans les puits sont aussi des émulsions, dit Varanasi.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.