Substrate-Directed Wetting Layers in Bicontinuous Particle-Stabilised Emulsions

Imagina un mundo donde pudieras construir diminutas estructuras esponjosas que nunca colapsan, llenas de dos líquidos diferentes que se niegan a mezclarse —como el aceite y el agua— pero que están mantenidos por un ejército microscópico de partículas. Este es el reino de la ciencia coloidal, una rama de la física que estudia cómo se comportan las partículas diminutas en los fluidos. En este mundo, los científicos están obsesionados con la creación de materiales bicontinuos. Piensa en estos no como una esponja con agujeros, sino como un laberinto complejo e entrelazado donde dos líquidos diferentes fluyen uno al lado del otro en canales continuos, como un sistema de autopistas de doble hélice. Estas estructuras son increíblemente eficientes para mover cosas, lo que las hace perfectas para cosas como limpiar la contaminación, almacenar energía en baterías o incluso ayudar a cultivar nuevos tejidos corporales.

Para construir estos laberintos, los científicos utilizan un truco ingenioso llamado STrIPS (Separación de Fases Inducida por Transferencia de Solvente). Imagina que tienes una mezcla de aceite, agua y un solvente especial que ama a ambos. Si eliminas ese solvente lentamente, el aceite y el agua se ven obligados a separarse. Pero en lugar de formar simplemente grandes manchas, quedan atrapados en una danza caótica y hermosa, creando una red entrelazada permanente. Para evitar que esta red colapse, los científicos añaden nanopartículas: motas diminutas que actúan como una armadura protectora, incrustándose en el límite entre el aceite y el agua para mantener la forma en su lugar.

Pero aquí está el problema: cuando intentas hacer estas estructuras como una película delgada sobre una superficie sólida (como un portaobjetos de vidrio), la superficie misma empieza a actuar como un árbitro mandón. No se queda ahí sentada; influye en cómo se comportan el aceite y el agua justo al lado de ella. La gran pregunta que los científicos se han estado haciendo es: ¿Cuánto le importa a la superficie el aceite frente al agua, y cómo cambia eso la forma final del laberinto? Comprender esto es crucial porque, si quieres usar estas películas para dispositivos del mundo real, necesitas saber exactamente cómo se adhieren y cómo se ven justo donde tocan el suelo.

En este estudio, Jesse Steenhoff y Martin Haase decidieron jugar a ser detectives con estos laberintos microscópicos. Querían ver qué sucede cuando construyes estas películas de "bijel" (gel de emulsión bicontinua con un choque interfacial) sobre portaobjetos de vidrio que han sido retocados para ser ya sea súper amantes del agua o que odian el agua.

Primero, tuvieron que construir sus propios "árbitros mandones". Tomaron portaobjetos de vidrio comunes y los trataron con un químico llamado n-OTMS. Piensa en este químico como un abrigo de armadura hecho de colas grasosas diminutas. Al sumergir el vidrio en un baño de este químico durante diferentes periodos de tiempo, podían controlar qué tan "grasoso" (hidrofóbico) se volvía el vidrio. Una inmersión corta dejaba el vidrio mayormente amante del agua, mientras que una inmersión larga lo hacía cada vez más hater del agua. Comprobaron su trabajo dejando caer diminutas gotas de agua sobre el vidrio; en el vidrio sin tratar, el agua se extendía plana, pero en el vidrio tratado, el agua se agrupaba en gotas, demostando que la superficie había cambiado.

Después, hicieron sus películas de bijel. Sumergieron estos portaobjetos de vidrio especialmente preparados en una mezcla precursora que contenía aceite, agua y nanopartículas de sílice (de unos 22 nanómetros de ancho). A medida que el solvente se evaporaba, el aceite y el agua se separaban, y las nanopartículas se trababan en la interfaz para congelar la estructura. Para ver qué estaba pasando, utilizaron un microscopio superpotente llamado microscopio confocal. Este no era una cámara regular; podía tomar imágenes 3D del interior de la película, cortando a través de ella capa por capa para ver el aceite (coloreado en magenta), el agua (negro) y las nanopartículas (verde).

Lo que encontraron fue una historia fascinante de influencia de la superficie. Cuando usaron el vidrio más amante del agua (el tipo sin tratar), la película formó una capa de agua perfectamente suave y plana contra el vidrio. Era como un río de agua laminar y tranquilo abrazando la orilla. Sin embargo, a medida que hacían el vidrio más hater del agua, la historia cambiaba. La capa de agua suave desaparecía. En su lugar, la superficie se convertía en una colcha de retazos. Las áreas ricas en agua se encogían en pequeñas islas, y las áreas ricas en aceite empezaban a tomar el control, creando una superficie superior irregular y mezclada.

Los investigadores también notaron algo sobre la "armadura" (las nanopartículas). Cuando usaron más nanopartículas en la mezcla, toda la estructura, incluyendo la capa superficial, se volvía más delgada. Es como si las nanopartículas se empaquetaran tan apretadamente que exprimían las capas hacia abajo. Esto significaba que para ver los efectos de la superficie claramente, necesitaban usar menos nanopartículas, de lo contrario, las capas eran demasiado delgadas para ser observadas.

Para asegurarse de que sus observaciones no fueran solo un error, realizaron simulaciones por computadora. Crearon un mundo virtual donde podían ajustar la "grasitud" de la superficie y observar cómo se separaban los líquidos. La computadora estuvo de acuerdo con el microscopio: en una superficie muy amante del agua, obtienes una capa de agua suave; en una superficie muy hater del agua, obtienes una capa de aceite suave. Pero hubo un giro en el experimento del mundo real. Mientras que la computadora decía que una superficie súper hater del agua debería crear una capa de aceite perfecta y suave, las películas reales no hacían eso exactamente. En lugar de una hoja perfecta, el aceite formaba una capa irregular y desigual. Los autores sugieren que esto se debe a que, si la capa de aceite fuera demasiado perfecta y continua, ¡toda la película podría simplemente desprenderse del vidrio y flotar en el baño de aceite circundante!

Entonces, ¿cuál es la conclusión? El artículo sugiere que la superficie sobre la que construyes estas películas es un director poderoso. No solo sostiene la película; moldea activamente la primera capa del laberinto. Si quieres un comienzo rico en agua, usa una superficie amante del agua. Si quieres un comienzo rico en aceite, usa una superficie hater del agua. Pero es un equilibrio delicado: haz la superficie demasiado extrema y la película podría perder su agarre. Este conocimiento ayuda a los científicos a comprender cómo diseñar mejor estos materiales para cosas como filtros o andamios médicos, asegurando que se adhieran correctamente y tengan la estructura adecuada desde el mismísimo fondo.