Emulsiones de diseño

Se cumple el sueño de muchos años de los investigadores y la industria

20.11.2018

Jan Vermant/ETH Zurich group

Los investigadores de ETH han desarrollado un proceso con el cual pueden estabilizar específicamente las gotas de emulsión con una cierta cantidad de partículas.

Jan Vermant/ETH Zurich group

La superficie de la gota de aceite en el agua se cubre con partículas en un 40,8 por ciento como se desee.

Los investigadores del material ETH están desarrollando un método con el que pueden recubrir las gotitas con una composición interfacial controlada y cobertura bajo demanda en una emulsión para estabilizarlas. De este modo, están cumpliendo un sueño que desde hace mucho tiempo tienen los investigadores y la industria.

La mayonesa es un buen ejemplo de una emulsión que consta de una fase acuosa y una fase oleosa. El aceite y el vinagre se mezclan para formar innumerables gotas. La yema de huevo se añade como un emulsionante que recubre la superficie de las gotitas, y por lo tanto actúa para estabilizarlas. Hecho correctamente, se forma una mezcla fina y cremosa. Si el aceite se añade demasiado rápido (o en el momento equivocado), la mayonesa se solidifica: las gotas no son lo suficientemente estables, se disuelven y las fases se separan.

Hasta ahora, los investigadores de materiales han tenido tantos problemas como los cocineros aficionados que han tratado de hacer la mayonesa perfecta para producir interfaces controladas de gotas en mezclas de dos fases con estabilizadores o emulsionantes. Estas interfaces "reforzadas" son importantes porque estabilizan las gotas y, en última instancia, la emulsión correspondiente. Hasta ahora, los investigadores no han logrado regular con éxito ni la extensión de la cobertura de partículas ni la composición de las partículas en las interfaces de dichas gotas.
Cubra las gotas como desee

Pero este "rompecabezas de la mayonesa" puede haberse resuelto: los investigadores de materiales de ETH Zurich y de la Universidad belga de Lovaina (KU Leuven), que trabajan bajo la dirección del profesor Jan Vermant de ETH, han desarrollado un nuevo método con el que pueden dirigir las interfaces de las gotas en emulsiones para revestirlas y diseñarlas con las partículas más diversas.

"Usando el enfoque clásico - mezclar dos líquidos con un emulsionante, agitar y ver el resultado - es imposible disponer cantidades definidas de un emulsionante en la interfaz de las gotas", enfatiza Vermant. "Hay un elemento de azar."

Con el nuevo método ahora es posible calcular por adelantado y establecer la cantidad de partículas necesarias para lograr el grado de cobertura adecuado. Los investigadores también han encontrado arbitrariamente muchas opciones diferentes para qué partículas pretenden usar y qué tamaño pueden tener. Las partículas de sílice esféricas son las más utilizadas, pero para las pruebas también se utilizaron partículas en forma de gusano o varilla. Las proteínas y los polímeros son ahora también opciones para su uso como emulsionantes.

"Este enfoque abre oportunidades inimaginables que podemos utilizar para crear nuevos materiales", dice el profesor de ETH Vermant.
Disposición versátil de microfluidos

Su método se basa en una plataforma microfluídica del tamaño de un portaobjetos de microscopio. Los investigadores pueden producir gotitas diminutas usando esta plataforma. Mientras se forman las gotas, la segunda fase comienza con las partículas que se adhieren a las interfaces de las gotas.

La cantidad de partículas es controlada por los investigadores utilizando la velocidad de flujo con la que la fase de partículas se mueve a través de las gotas en desarrollo. Por último, esta capa está rodeada por la fase en la que las gotitas descansan (agua en el caso de las gotitas de aceite, o viceversa).

Las gotas terminadas fluyen a través de un canal estrecho y muy largo en forma de radiador. A medida que viaja a través de este canal, la fase que rodea a las gotitas que contienen las partículas se disuelve gradualmente en la solución circundante. Pero queda tiempo suficiente para que las partículas cubran las interfaces de las gotas y estabilicen las gotas.

Dependiendo del uso previsto, las gotas se pueden cubrir con diferentes tipos de partículas. Los investigadores también pueden utilizar partículas de diferentes tamaños, varias composiciones químicas o incluso diferentes polaridades (hidrofóbicas vs. hidrofílicas).
Juega con los emulgadores

Las gotas individuales pueden fusionarse dependiendo del grado de cobertura. Esto da como resultado formas parecidas a las del maní. La coalescencia cambia la relación entre volumen y superficie, lo que significa que hay menos espacio disponible para las partículas en la interfaz. Las partículas que cubren dos gotas son forzadas a moverse juntas en un área más pequeña, y la cobertura de la gota doble aumenta en densidad. Las gotas recubiertas se estabilizan de esta manera, al igual que la emulsión, cuyas propiedades también se derivan de la forma y la longitud de las gotas.

"También podemos determinar la forma de las gotas utilizando nuestro método, lo que nos permite crear emulsiones con propiedades previamente inconcebibles", comenta Vermant. El principio recién descubierto es muy robusto. "Hemos estado trabajando en esto durante diez años, y ahora el problema está resuelto."

El método aquí descrito sólo es adecuado para la investigación, ya que sólo funciona a muy pequeña escala. Sin embargo, los investigadores de ETH están trabajando en ampliarlo para procesar cantidades mayores. Están desarrollando un aparato que ya sería adecuado para los métodos de prueba industriales basados en la venta y el rendimiento.

A una escala aún mayor, las aplicaciones en la industria alimentaria, farmacéutica, cosmética e incluso petrolera, por ejemplo, separando el aceite y el agua durante la extracción del aceite, serían posibles.

Nota: Este artículo se ha traducido con un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para poder presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Puesto que este artículo se ha traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática.

Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

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