05 de noviembre de 2023 (Proyector Nanowerk) Los investigadores han aprovechado las propiedades únicas de las partículas rugosas a nanoescala para crear nuevos canales de emulsión continua con aplicaciones potenciales que van desde la administración de fármacos hasta la purificación. Su trabajo, publicado en Materiales funcionales avanzados ("Canales de emulsión continuos logrados controlando la interfaz agua-aceite únicamente con coloides rugosos"), demuestra cómo la fricción mejorada por la rugosidad puede ralentizar la dinámica y estabilizar interfaces líquido-líquido complejas. Las emulsiones que mezclan líquidos inmiscibles son fundamentales para productos que van desde alimentos hasta cosméticos. Por ejemplo, las emulsiones como la mayonesa mezclan líquidos que normalmente no se mezclan. Requieren moléculas añadidas llamadas tensioactivos para estabilizar la interfaz entre los líquidos. (La mayonesa es una emulsión de aceite, yema de huevo y vinagre o jugo de limón, con condimentos para darle sabor. La yema de huevo actúa como emulsionante porque contiene lecitina, una sustancia que ayuda a mezclar y estabilizar la mezcla de aceite y agua. (a base de vinagre o jugo de limón). Recientemente, los científicos han creado emulsiones utilizando partículas sólidas a micro o nanoescala en lugar de tensioactivos. Las partículas se adsorben en la interfaz líquido-líquido, bloqueándola en su lugar. Estas denominadas emulsiones de Pickering pueden formar gotas discretas. Más intrigantes son las redes bicontinuas denominadas geles de emulsión bicontinuos interfacialmente bloqueados or bijeles. En lugar de manchas aisladas, los bijels contienen canales interconectados de los dos líquidos que atraviesan el material.
El mecanismo de formación. a) El proceso de formación de los canales continuos de emulsión. De izquierda a derecha: inmediatamente después de la emulsificación, 1, 3, 5, 7 y 10 minutos después de la emulsificación. Se ha utilizado una solución de tinción de eosina Y soluble en alcohol para marcar el etanol (fluorescencia roja). b) Las observaciones microscópicas confocales demuestran la característica 3D de las estructuras continuas. c) La técnica de imágenes de fluorescencia de súper resolución (Stellaris 8, Leica, Alemania) revela que las interfaces altamente curvadas están sostenidas principalmente por partículas densas y rugosas (marcadas en el círculo discontinuo), mientras que una interfaz plana puede estabilizarse mediante una monocapa (marcada en el círculo sólido). (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) Hasta la fecha, los bijels han requerido un cuidadoso equilibrio de líquidos además de modificaciones en la química de la superficie de las partículas. Los científicos han adoptado ahora un nuevo enfoque utilizando partículas rugosas de sílice sin ningún complemento químico, pero con una rugosidad a nanoescala adaptada. Su enfoque innovador evita las necesidades anteriores de modificaciones químicas de superficies personalizadas o pares de fluidos equilibrados con precisión. Los investigadores descubrieron que estas partículas "con baches" forman redes inusuales cuando se mezclan con mezclas de agua, etanol y aceite de silicona. El avance clave fue el uso de rugosidad diseñada para manipular las interacciones entre partículas y partículas-líquido. Las partículas esféricas más suaves no pueden reforzar de manera estable las intrincadas interfaces fluidas de los bijels. Pero el equipo descubrió que partículas rugosas específicas frustran el proceso habitual de separación de fases. Este atrapamiento cinético durante la mezcla crea redes de desequilibrio en lugar de las fases separadas esperadas. Imágenes y simulaciones avanzadas revelaron cómo la topografía de la superficie de las partículas dificulta su reordenamiento en la interfaz. Las proyecciones de la superficie se entrelazan, resistiendo la compresión y el corte. Este bloqueo configuracional preserva las estructuras de bijel en lapsos de milímetros durante segundos o minutos.
Fenómeno de entrelazamiento. a) La transición de una monocapa percolada (marcada en el círculo amarillo) a acumulaciones desordenadas (marcadas en el círculo rojo) de partículas MR en una interfaz aire-agua. b) Respuesta al estrés ante un aumento abrupto de la velocidad de corte para canales continuos estabilizados por varias partículas rugosas. Las líneas discontinuas representan los mejores ajustes de un modelo empírico.[21] Para cada rugosidad de la superficie, se realizaron al menos tres mediciones. (Recuadro de b)) Un efecto de entrelazamiento entre partículas rugosas forma cadenas de fuerza (marcadas en rojo oscuro) y otras agregaciones que soportan fuerzas (marcadas en rojo claro) para proporcionar soporte mecánico al sistema. Las flechas indican que tales agregaciones entrelazadas son capaces de soportar fuerzas de corte adicionales. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) Además de estabilizar la interfaz, las redes de partículas rugosas atascadas imparten una rigidez mecánica similar a la de un sólido. Esta resistencia a la deformación diferencia a los bijels de otras emulsiones y permite aplicaciones como la ingeniería de microrreactores. Los investigadores también analizaron cómo el etanol permitió la formación de bijel. Redujo la tensión superficial para promover la unión de partículas en el límite entre petróleo y agua. Y los modelos computacionales mostraron una migración preferencial de etanol desde agua a granel para enriquecer aún más la interfaz. Esta autooptimización dinámica de la interfaz fue clave para la formación de redes de partículas. Los surfactantes pueden generar fácilmente gotas, redes y más. De manera excepcional, este nuevo enfoque de nanopartículas rugosas abre rutas hacia bijeles que utilizan mezclas líquidas miscibles y biocompatibles como etanol, agua y aceites de silicona. Los investigadores obtuvieron redes 3D consistentes en volúmenes de ~7 ml sin ninguna alteración química de la superficie de las partículas. Estas redes tienen usos potenciales que van desde la administración de medicamentos hasta los implantes médicos. Como prueba de concepto, el equipo cargó diferentes medicamentos contra el cáncer en dominios de fluidos separados. Las combinaciones mostraron una mayor eficacia que los fármacos individuales. Los bijels también permitieron eliminar contaminantes del petróleo atrapando partículas en la interfaz, lo que demuestra aplicaciones para purificación y microfiltración. Fundamentalmente, estos conocimientos sobre el uso de rugosidad a nanoescala diseñada para frustrar la separación de fases tienen implicaciones más amplias para el diseño de emulsiones. Las observaciones mejoran la comprensión fundamental de los mecanismos de emulsificación. Esto podría ayudar a la optimización computacional de emulsiones y otros materiales blandos. Al ejercer un control preciso sobre los límites entre fluidos, el enfoque de partículas adaptadas también puede permitir emulsiones con nuevos motivos arquitectónicos. Un mayor desarrollo de bijels como microambientes 3D podría abrir puertas en la biología sintética, microfluidosy desarrollo de materiales. En general, este estudio muestra que los aspectos físicos de las nanopartículas, como la rugosidad, permiten utilizar de manera productiva la física desordenada de la interfaz de partículas. Combinado con capacidades en expansión para fabricar formas y superficies de partículas intrincadas, esto promete sistemas de emulsión más elaborados para la investigación y la industria.
By
Michael
Berger
El mecanismo de formación. a) El proceso de formación de los canales continuos de emulsión. De izquierda a derecha: inmediatamente después de la emulsificación, 1, 3, 5, 7 y 10 minutos después de la emulsificación. Se ha utilizado una solución de tinción de eosina Y soluble en alcohol para marcar el etanol (fluorescencia roja). b) Las observaciones microscópicas confocales demuestran la característica 3D de las estructuras continuas. c) La técnica de imágenes de fluorescencia de súper resolución (Stellaris 8, Leica, Alemania) revela que las interfaces altamente curvadas están sostenidas principalmente por partículas densas y rugosas (marcadas en el círculo discontinuo), mientras que una interfaz plana puede estabilizarse mediante una monocapa (marcada en el círculo sólido). (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) Hasta la fecha, los bijels han requerido un cuidadoso equilibrio de líquidos además de modificaciones en la química de la superficie de las partículas. Los científicos han adoptado ahora un nuevo enfoque utilizando partículas rugosas de sílice sin ningún complemento químico, pero con una rugosidad a nanoescala adaptada. Su enfoque innovador evita las necesidades anteriores de modificaciones químicas de superficies personalizadas o pares de fluidos equilibrados con precisión. Los investigadores descubrieron que estas partículas "con baches" forman redes inusuales cuando se mezclan con mezclas de agua, etanol y aceite de silicona. El avance clave fue el uso de rugosidad diseñada para manipular las interacciones entre partículas y partículas-líquido. Las partículas esféricas más suaves no pueden reforzar de manera estable las intrincadas interfaces fluidas de los bijels. Pero el equipo descubrió que partículas rugosas específicas frustran el proceso habitual de separación de fases. Este atrapamiento cinético durante la mezcla crea redes de desequilibrio en lugar de las fases separadas esperadas. Imágenes y simulaciones avanzadas revelaron cómo la topografía de la superficie de las partículas dificulta su reordenamiento en la interfaz. Las proyecciones de la superficie se entrelazan, resistiendo la compresión y el corte. Este bloqueo configuracional preserva las estructuras de bijel en lapsos de milímetros durante segundos o minutos.
Fenómeno de entrelazamiento. a) La transición de una monocapa percolada (marcada en el círculo amarillo) a acumulaciones desordenadas (marcadas en el círculo rojo) de partículas MR en una interfaz aire-agua. b) Respuesta al estrés ante un aumento abrupto de la velocidad de corte para canales continuos estabilizados por varias partículas rugosas. Las líneas discontinuas representan los mejores ajustes de un modelo empírico.[21] Para cada rugosidad de la superficie, se realizaron al menos tres mediciones. (Recuadro de b)) Un efecto de entrelazamiento entre partículas rugosas forma cadenas de fuerza (marcadas en rojo oscuro) y otras agregaciones que soportan fuerzas (marcadas en rojo claro) para proporcionar soporte mecánico al sistema. Las flechas indican que tales agregaciones entrelazadas son capaces de soportar fuerzas de corte adicionales. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) Además de estabilizar la interfaz, las redes de partículas rugosas atascadas imparten una rigidez mecánica similar a la de un sólido. Esta resistencia a la deformación diferencia a los bijels de otras emulsiones y permite aplicaciones como la ingeniería de microrreactores. Los investigadores también analizaron cómo el etanol permitió la formación de bijel. Redujo la tensión superficial para promover la unión de partículas en el límite entre petróleo y agua. Y los modelos computacionales mostraron una migración preferencial de etanol desde agua a granel para enriquecer aún más la interfaz. Esta autooptimización dinámica de la interfaz fue clave para la formación de redes de partículas. Los surfactantes pueden generar fácilmente gotas, redes y más. De manera excepcional, este nuevo enfoque de nanopartículas rugosas abre rutas hacia bijeles que utilizan mezclas líquidas miscibles y biocompatibles como etanol, agua y aceites de silicona. Los investigadores obtuvieron redes 3D consistentes en volúmenes de ~7 ml sin ninguna alteración química de la superficie de las partículas. Estas redes tienen usos potenciales que van desde la administración de medicamentos hasta los implantes médicos. Como prueba de concepto, el equipo cargó diferentes medicamentos contra el cáncer en dominios de fluidos separados. Las combinaciones mostraron una mayor eficacia que los fármacos individuales. Los bijels también permitieron eliminar contaminantes del petróleo atrapando partículas en la interfaz, lo que demuestra aplicaciones para purificación y microfiltración. Fundamentalmente, estos conocimientos sobre el uso de rugosidad a nanoescala diseñada para frustrar la separación de fases tienen implicaciones más amplias para el diseño de emulsiones. Las observaciones mejoran la comprensión fundamental de los mecanismos de emulsificación. Esto podría ayudar a la optimización computacional de emulsiones y otros materiales blandos. Al ejercer un control preciso sobre los límites entre fluidos, el enfoque de partículas adaptadas también puede permitir emulsiones con nuevos motivos arquitectónicos. Un mayor desarrollo de bijels como microambientes 3D podría abrir puertas en la biología sintética, microfluidosy desarrollo de materiales. En general, este estudio muestra que los aspectos físicos de las nanopartículas, como la rugosidad, permiten utilizar de manera productiva la física desordenada de la interfaz de partículas. Combinado con capacidades en expansión para fabricar formas y superficies de partículas intrincadas, esto promete sistemas de emulsión más elaborados para la investigación y la industria.
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Michael
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeñoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
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