Будь то лосьон для тела утром или майонез вечером - эмульсии в изобилии в нашей повседневной жизни. Они возникают, когда две несмешивающиеся жидкости образуют смесь. Дисперсная фаза образует капли, которые распределяются в непрерывной фазе. Эти две фазы, как правило, представляют собой воду и масло, причем различают эмульсии вода-в-масле и масло-в-воде. Другим важным компонентом эмульсий является стабилизатор или эмульгатор. Стабилизатор прикрепляется к поверхности капель и придает им устойчивость.
Картинная галерея
Картинная галерея с 7 картинками
Дело с эмульгаторами: почему майонез выходит из строя
Классическими стабилизаторами являются амфифильные поверхностно-активные вещества, которые состоят из гидрофильной и гидрофобной части. Однако частицы, такие как диоксид кремния, также могут быть использованы. Такие «усиленные» эмульсии называются эмульсиями Пикеринга. Если добавлено отсутствие или неправильное количество стабилизатора, капли будут объединяться: капли нестабильны, сливаются друг с другом, и две фазы разделяются. Классическим примером из повседневной жизни является майонез, в котором смешаны масло и уксус, а в качестве стабилизатора добавлен яичный желток. Если масло добавляется слишком быстро или в неподходящее время, майонез коагулирует. Капли недостаточно стабильны, и фазы разделяются.
Эмульсии также широко используются в косметике, например, в лосьонах и кремах. Размер капелек, их распределение по размерам и количество добавленного эмульгатора имеют большое значение для стабильности, текстуры и функции.
Индивидуальные эмульсии - с использованием микрофлюидики
Классические методы производства часто дают очень полидисперсные эмульсии с ограниченным контролем размера капель и количества эмульгатора на каплю. Используя микрофлюидику, можно производить капли с определенным воспроизводимым размером. До сих пор не было возможности контролировать количество и состав стабилизатора на границе раздела капель.
Исследовательская группа «Мягкий материал» под руководством профессора Верманта из ETH Zurich в настоящее время разработала процесс, с помощью которого поверхность раздела жидкость-жидкость капель эмульсии может быть впервые покрыта частицами контролируемым образом. Новый метод позволяет
- не только определить размер капель,
- но также точно определить количество стабилизатора [1].
- Тип эмульгатора также может быть выбран почти произвольно. В дополнение к классическим сферическим частицам также использовались червеобразные или стержнеобразные частицы.
Это открывает широкий спектр возможностей для создания новых материалов.
Метод основан на использовании микрожидкостного стеклянного чипа. Он производит двойные эмульсии, то есть одну каплю на одну каплю. После того как капли сформированы, капли состоят из двух фаз: внутренней и внешней фаз, причем внешняя фаза содержит стабилизирующие частицы. Две фазы смешиваются в определенном соотношении и сливаются в одну фазу, когда они проходят через микрофлюидный чип. Частицы выталкиваются наружу капли, так что они образуют защитный слой между каплей и несмешивающейся непрерывной фазой.
Поскольку количество эмульгатора зависит исключительно от скорости потока двух капельных фаз, степень покрытия капель можно прогнозировать и непрерывно изменять. Анализ степени покрытия показал, что количество частиц можно дозировать очень точно. Примечательно, что этот метод полностью обходится без поверхностно-активных веществ или белков в качестве стабилизаторов. Капли стабилизируются только частицами.
Посмотрите здесь, как исследователи могут адаптировать эмульсии ((c) ETH Zurich):
Микро клапан
Миниатюрная гидравлика помогает гоночным автомобилям с автономным вождением
Этот огромный контроль над степенью покрытия также позволяет контролировать форму капель. Если две капли объединяются, отношение площади поверхности к объему изменяется, и частицы имеют меньше места. Если встречаются две капли, которые не полностью заполнены частицами, процесс синтеза прерывается, как только достигается максимальная степень покрытия. Капли тогда стабильны, хотя теперь они имеют несферическую форму.
С помощью этого метода также возможно подавать различные типы стабилизаторов к границе капли. Например, если для стабилизации использовалась смесь крупных и мелких частиц, можно показать, что состав границы раздела жидкость-жидкость является контролируемым и воспроизводимым.
Картинная галерея
Картинная галерея с 7 картинками
Микрофлюидика как основа для дизайна эмульсий
Этот огромный контроль над интерфейсом жидкость-жидкость возможен только с микрофлюидикой. Этот метод не только позволяет точно контролировать количество стабилизаторов на границе раздела, но также размер капель является таким же постоянным и управляемым, как и при использовании не традиционного метода. В опубликованной в настоящее время работе эмульсии были получены с помощью двух пересечений в быстрой последовательности. Используется принцип гидродинамической фокусировки.
Конструкция канала микрожидкостной микросхемы выбрана так, что три канала встречаются на пересечении и становятся одним каналом. Дисперсная фаза встречается с непрерывной фазой в середине, что означает, что дисперсная фаза разбивается на капли. Взаимодействие между скоростью потока и свойствами жидкости, такими как поверхностное натяжение или вязкость, имеет решающее значение для образования капель. Напряжение сдвига и межфазное натяжение между двумя жидкостями приводят к деформации поверхности раздела и нестабильности, что в конечном итоге приводит к каплям. Такие пересечения используются для получения как однократных, так и множественных, в данном случае двойных, эмульсий. Однако существуют ограничения для этой методологии, особенно в том, что касается объема производства.
Дополнительная информация на тему принципа гидродинамической фокусировки
Принцип гидродинамической фокусировки известен из проточной цитометрии или анализа FACS (флуоресцентная сортировка клеток) для исследования клеточных популяций. Ячейки сфокусированы так, что они проходят через измерительную ячейку, как нитка жемчуга.
Цель: Изготовление эмульсий на заказ в промышленных масштабах
Классические конструкции гидродинамической фокусировки очень ограничены в пропускной способности. Небольшие количества требуемых жидкостей обычно не являются проблемой для исследований и даже могут быть полезными. Однако, чтобы иметь возможность производить в количествах, соответствующих отрасли, необходимо найти новые решения. Один из этих подходов заключается в том, что метод гидродинамической фокусировки распараллеливается, и несколько таких пересечений работают бок о бок и одно над другим. Однако такие трехмерные схемы быстро становятся сложными, поскольку несколько каналов, входов и выходов трудно воспроизвести.
Знание - конкурентное преимущество! Будьте в курсе: с нашей рассылкой редакторы строительной практики всегда информируют вас во вторник, пятницу о темах, новостях и тенденциях в отрасли.
Подпишись сейчас
Многообещающее решение было реализовано в ETH Zurich с использованием метода «ступенчатого эмульгирования». Дисперсная фаза течет по длинному плоскому каналу через ступеньку в большой глубокий контейнер. В отличие от гидродинамической фокусировки, могут быть разработаны простые микрофлюидные конструкции, которые производят эмульсии в больших количествах [2]. Большим преимуществом является то, что каналы находятся на одном уровне, и требуются только два входа и один выход, независимо от количества каналов. Группа «Мягкие материалы» под руководством профессора Верманта в сотрудничестве с профессором Студартом, также из Цюриха, исследует, как можно контролировать контроль поверхности раздела жидкость-жидкость в процессах ступенчатого эмульгирования.
Литература:
[1] Докс; Заложник; Болота; Кус; Studart; Vermant: Дизайнерские жидкостно-жидкостные интерфейсы, изготовленные из переходных двойных эмульсий. Nature Communications том 9, номер статьи: 4763 (2018) DOI:
[2] Алессандро Офнер и др.: Ступенчатое эмульгирование с высокой пропускной способностью для получения функциональных материалов с использованием стеклянного микрофлюидного устройства. Макромолекулярная химия и физика. Впервые опубликовано: 14 декабря 2016 г., DOI:
* S. Geisel: ETH Zurich, 8093 Zurich / Switzerland