Substrate-Directed Wetting Layers in Bicontinuous Particle-Stabilised Emulsions

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der man winzige, schwammartige Strukturen bauen kann, die niemals kollabieren, gefüllt mit zwei verschiedenen Flüssigkeiten, die sich weigern, sich zu vermischen – wie Öl und Wasser – aber von einer mikroskopischen Armee von Partikeln zusammengehalten werden. Dies ist das Reich der Kolloidwissenschaft, eines Zweigs der Physik, der untersucht, wie sich winzige Teilchen in Fluiden verhalten. In dieser Welt sind Wissenschaftler besessen davon, bikontinuierliche Materialien zu erschaffen. Denken Sie bei diesen nicht an einen Schwamm mit Löchern, sondern an ein komplexes, ineinander verschlungenes Labyrinth, in dem zwei verschiedene Flüssigkeiten nebeneinander in kontinuierlichen Kanälen fließen, wie ein Doppelhelix-Autobahnsystem. Diese Strukturen sind unglaublich effizient darin, Dinge zu bewegen, was sie perfekt für Dinge wie die Beseitigung von Umweltverschmutzung, die Speicherung von Energie in Batterien oder sogar für das Wachstum neuer Körpergewebe macht.

Um diese Labyrinthe zu bauen, nutzen Wissenschaftler einen cleveren Trick namens STrIPS (Solvent-Transfer-Induced Phase Separation). Stellen Sie sich vor, Sie haben eine Mischung aus Öl, Wasser und einem speziellen Lösungsmittel, das beide liebt. Wenn Sie dieses Lösungsmittel langsam entfernen, werden Öl und Wasser gezwungen, sich zu trennen. Aber anstatt einfach nur große Klumpen zu bilden, geraten sie in einen chaotischen, wunderschönen Tanz und erzeugen ein permanentes, ineinander verschlungenes Netzwerk. Um dieses Netzwerk vor dem Kollabieren zu bewahren, fügen Wissenschaftler Nanopartikel hinzu – winzige Sprenkel, die als schützende Rüstung fungieren, indem sie sich an der Grenze zwischen Öl und Wasser festsetzen, um die Form zu halten.

Aber hier liegt der Haken: Wenn man versucht, diese Strukturen als dünnen Film auf einer festen Oberfläche (wie einem Objektträger aus Glas) herzustellen, beginnt die Oberfläche selbst wie ein herrischer Schiedsrichter zu agieren. Sie sitzt nicht nur einfach da; sie beeinflusst, wie sich das Öl und das Wasser direkt neben ihr verhalten. Die große Frage, die sich Wissenschaftler gestellt haben, lautet: Wie sehr kümmert sich die Oberfläche um das Öl im Vergleich zum Wasser, und wie verändert das die endgültige Form des Labyrinths? Das Verständnis dessen ist entscheidend, denn wenn man diese Filme für reale Geräte verwenden möchte, muss man genau wissen, wie sie haften und wie sie direkt dort aussehen, wo sie den Boden berühren.

In dieser Studie beschlossen Jesse Steenhoff und Martin Haase, Detektiv in diesen mikroskopischen Labyrinthen zu spielen. Sie wollten sehen, was passiert, wenn man diese „Bijel“-Filme (bikontinuierliche interfaciale gejammt Emulsionsgele) auf Glasobjektträgern baut, die entweder super wasserliebend oder wasserabweisend modifiziert wurden.

Zuerst mussten sie ihre eigenen „herrischen Schiedsrichter“ bauen. Sie nahmen einfache Glasobjektträger und behandelten sie mit einer Chemikalie namens n-OTMS. Denken Sie an diese Chemikalie als eine Art Rüstung aus winzigen, fettigen Schwänzen. Indem sie den Glasobjektträger für unterschiedliche Zeitdauern in ein Bad dieser Chemikalie tauchten, konnten sie kontrollieren, wie „fettig“ (hydrophob) das Glas wurde. Ein kurzes Eintauchen ließ das Glas weitgehend wasserliebend, während ein langes Eintauchen es zunehmend wasserabweisend machte. Sie überprüften ihre Arbeit, indem sie winzige Wassertropfen auf das Glas gaben; auf dem unbehandelten Glas breitete sich das Wasser flach aus, aber auf dem behandelten Glas perlt das Wasser ab, was bewies, dass sich die Oberfläche verändert hatte.

Als Nächstin fertigten sie ihre Bijel-Filme an. Sie tauchten diese speziell vorbereiteten Glasobjektträger in eine Vorläufermischung aus Öl, Wasser und Silica-Nanopartikeln (etwa 22 Nanometer breit). Während das Lösungsmittel verdampfte, trennten sich Öl und Wasser, und die Nanopartikel verkrallten sich an der Grenzfläche, um die Struktur einzufrieren. Um zu sehen, was geschah, verwendeten sie ein superstarkes Mikroskop, ein Konfokalmikroskop. Dies war nicht nur eine gewöhnliche Kamera; es konnte 3D-Bilder aus dem Inneren des Films aufnehmen, indem es den Film Schicht für Schicht durchschnitt, um Öl (magenta gefärbt), Wasser (schwarz) und Nanopartikel (grün) zu sehen.

Was sie fanden, war eine faszinierende Geschichte über den Einfluss der Oberfläche. Wenn sie das wasserliebendste Glas (das unbehandelte) verwendeten, bildete der Film eine perfekt glatte, flache Wasserschicht direkt gegen das Glas. Es war wie ein ruhiger, laminarer Fluss aus Wasser, der die Ufer umarmt. Doch als sie das Glas wasserabweisender machten, änderte sich die Geschichte. Die glatte Wasserschicht verschwand. Stattdessen wurde die Oberfläche zu einem Patchwork-Quilt. Die wasserreichen Bereiche schrumpften zu kleinen Inseln zusammen, und die ölreichen Bereiche begannen, die Oberflächenschicht zu übernehmen, wodurch eine unebene, gemischte Oberfläche entstand.

Die Forscher bemerkten auch etwas über die „Rüstung“ (die Nanopartikel). Wenn sie mehr Nanopartikel in der Mischung verwendeten, wurde die gesamte Struktur, einschließlich der Oberflächenschicht, dünner. Es ist, als ob die Nanopartikel so dicht gepackt waren, dass sie die Schichten zusammendrückten. Dies bedeutete, dass sie weniger Nanopartikel verwenden mussten, um die Oberflächeneffekte klar zu sehen, da die Schichten sonst zu dünn waren, um sie überhaupt wahrzunehmen.

Um sicherzustellen, dass ihre Beobachtungen kein Zufall waren, führten sie Computersimulationen durch. Sie erschufen eine virtuelle Welt, in der sie die „Fettigkeit“ der Oberfläche manipulieren und beobachten konnten, wie sich die Flüssigkeiten trennen. Der Computer stimmte mit dem Mikroskop überein: Auf einer sehr wasserliebendem Oberfläche erhält man eine glatte Wasserschicht; auf einer sehr wasserabweisenden Oberfläche eine glatte Ölschicht. Aber es gab eine Wendung im Realexperiment. Während der Computer sagte, dass eine super wasserabweisende Oberfläche eine perfekte, glatte Ölschicht erzeugen sollte, taten die realen Filme dies nicht ganz. Anstatt einer perfekten Schicht bildete das Öl eine fleckige, unebene Schicht. Die Autoren vermuten, dass dies daran liegt, dass, falls die Ölschicht zu perfekt und kontinuierlich geworden wäre, der gesamte Film einfach vom Glas abgeblättert wäre und im umgebenden Ölbad herumgeschwommen wäre!

Was ist also die Quintessenz? Die Arbeit legt nahe, dass die Oberfläche, auf der man diese Filme baut, ein mächtiger Regisseur ist. Sie hält den Film nicht nur; sie formt aktiv die allererste Schicht des Labyrinths. Wenn man einen wasserreichen Start will, nutzt man eine wasserliebende Oberfläche. Wenn man einen ölreichen Start will, nutzt man eine wasserabweisende Oberfläche. Aber es ist ein empfindliches Gleichgewicht: Macht man die Oberfläche zu extrem, könnte der Film seinen Halt verlieren. Diese Erkenntnis hilft Wissenschaftlern, diese Materialien – etwa für Filter oder medizinische Gerüste – besser zu entwerfen, indem sie sicherstellen, dass sie richtig haften und von Grund auf die richtige Struktur besitzen.