Substrate-Directed Wetting Layers in Bicontinuous Particle-Stabilised Emulsions

Imaginez un monde où vous pourriez construire de minuscules structures semblables à des éponges qui ne s'effondrent jamais, remplies de deux liquides différents qui refusent de se mélanger — comme l'huile et l'eau — mais qui sont maintenus ensemble par une armée microscopique de particules. C'est le domaine de la science colloïdale, une branche de la physique qui étudie le comportement des particules minuscules dans les fluides. Dans ce monde, les scientifiques sont obsédés par la création de matériaux bicontinus. Ne les voyez pas comme une éponge avec des trous, mais comme un labyrinthe complexe et entrelacé où deux liquides différents circulent côte à côte dans des canaux continus, tel un système d'autoroutes en double hélice. Ces structures sont incroyablement efficaces pour déplacer des éléments, ce qui les rend parfaites pour des applications telles que le nettoyage de la pollution, le stockage d'énergie dans les batteries ou même pour aider à la croissance de nouveaux tissus corporels.

Pour construire ces labyrinthes, les scientifiques utilisent une astuce ingénieuse appelée STrIPS (Solvent-Transfer-Induced Phase Separation ou Séparation de Phase Induite par Transfert de Solvant). Imaginez que vous avez un mélange d'huile, d'eau et d'un solvant spécial qui aime les deux. Si vous retirez lentement ce solvant, l'huile et l'eau sont forcées de se séparer. Mais au lieu de simplement former de gros amas, elles se retrouvent piégées dans une danse chaotique et magnifique, créant un réseau entrelacé permanent. Pour empêcher ce réseau de s'effondrer, les scientifiques ajoutent des nanoparticules — de minuscules grains qui agissent comme une armure protectrice, se coinçant à la frontière entre l'huile et l'eau pour maintenir la forme en place.

Mais voici le hic : lorsque vous essayez de fabriquer ces structures sous forme de film mince sur une surface solide (comme une lame de verre), la surface elle-même commence à agir comme un arbitre autoritaire. Elle ne se contente pas de rester là ; elle influence la façon dont l'huile et l'eau se comportent juste à côté d'elle. La grande question que les scientifiques se posent est : À quel point la surface se soucie-t-elle de l'huile par rapport à l'eau, et comment cela change-t-il la forme finale du labyrinthe ? Comprendre cela est crucial car, si vous voulez utiliser ces films pour des gadgets du monde réel, vous devez savoir exactement comment ils adhèrent et à quoi ils ressemblent précisément là où ils touchent le sol.

Dans cette étude, Jesse Steenhoff et Martin Haase ont décidé de jouer les détectives avec ces labyrinthes microscopiques. Ils voulaient voir ce qui se passe lorsqu'on construit ces « bijels » (gels d'émulsion interfaciale de type bicontinu avec blocage, ou bicontinuous interfacially jammed emulsion gels) sous forme de films sur des lames de verre qui ont été modifiées pour être soit très hydrophiles (aimant l'eau), soit hydrophobes (détestant l'eau).

D'abord, ils ont dû fabriquer leurs propres « arbitres autoritaires ». Ils ont pris des lames de verre ordinaires et les ont traitées avec un produit chimique appelé n-OTMS. Voyez ce produit chimique comme une armure faite de minuscules queues grasses. En trempant la lame de verre dans un bain de ce produit pendant différentes durées, ils pouvaient contrôler à quel point le verre devenait « gras » (hydrophobe). Un trempage court laissait le verre principalement hydrophile, tandis qu'un trempage long le rendait de plus en plus hydrophobe. Ils ont vérifié leur travail en déposant de minuscules perles d'eau sur le verre ; sur le verre non traité, l'eau s'étalait de manière plate, mais sur le verre traité, l'eau formait des perles, prouvant que la surface avait changé.

Ensuite, ils ont fabriqué leurs films bijels. Ils ont plongé ces lames de verre préparées spécialement dans un mélange précurseur contenant de l'huile, de l'eau et des nanoparticules de silice (environ 22 nanomètres de large). À mesure que le solvant s'évaporait, l'huile et l'eau se séparaient, et les nanoparticules se bloquaient à l'interface pour figer la structure. Pour voir ce qui se passait, ils ont utilisé un microscope ultra-puissant appelé microscope confocal. Ce n'était pas une caméra ordinaire ; il pouvait prendre des images 3D de l'intérieur du film, découpant la structure couche par couche pour voir l'huile (colorée en magenta), l'eau (en noir) et les nanoparticules (en vert).

Ce qu'ils ont découvert est une histoire fascinante d'influence de surface. Lorsqu'ils ont utilisé le verre le plus hydrophile (le type non traité), le film a formé une couche d'eau parfaitement lisse et plate contre le verre. C'était comme une rivière d'eau calme et laminaire épousant la rive. Cependant, à mesure qu'ils rendaient le verre plus hydrophobe, l'histoire changeait. La couche d'eau lisse disparaissait. Au lieu de cela, la surface devenait un patchwork ; les zones riches en eau rétrécissaient pour devenir de petits îlots, et les zones riches en huile commençaient à prendre le dessus, créant une couche de surface bosselée et mélangée.

Les chercheurs ont également remarqué quelque chose concernant l'« armure » (les nanoparticules). Lorsqu'ils utilisaient plus de nanoparticules dans le mélange, toute la structure, y compris la couche de surface, devenait plus mince. C'est comme si les nanoparticules s'étaient tellement serrées qu'elles avaient compressé les couches. Cela signifiait que pour observer clairement les effets de surface, ils devaient utiliser moins de nanoparticules, sinon les couches étaient trop fines pour être remarquées.

Pour s'assurer que leurs observations n'étaient pas un simple coup de chance, ils ont réalisé des simulations informatiques. Ils ont créé un monde virtuel où ils pouvaient modifier la « graisse » de la surface et observer la séparation des liquides. L'ordinateur était d'accord avec le microscope : sur une surface très hydrophile, on obtient une couche d'eau lisse ; sur une surface très hydrophobe, on obtient une couche d'huile lisse. Mais il y avait un rebondissement dans l'expérience réelle. Alors que l'ordinateur indiquait qu'une surface très hydrophobe devrait créer une couche d'huile parfaite et lisse, les films réels ne faisaient pas tout à fait cela. Au lieu d'une feuille parfaite, l'huile formait une couche irrégulière et parsemée. Les auteurs suggèrent que c'est parce que si la couche d'huile devenait trop parfaite et continue, l'ensemble du film pourrait simplement se décoller du verre et flotter dans le bain d'huile environnant !

Alors, quelle est la conclusion ? L'article suggère que la surface sur laquelle vous construisez ces films est un metteur en scène puissant. Elle ne se contente pas de tenir le film ; elle façonne activement la toute première couche du labyrinthe. Si vous voulez un début riche en eau, utilisez une surface hydrophile. Si vous voulez un début riche en huile, utilisez une surface hydrophobe. Mais c'est un équilibre délicat : rendez la surface trop extrême, et le film pourrait perdre son adhérence. Cette compréhension aide les scientifiques à mieux concevoir ces matériaux pour des applications telles que les filtres ou les échafaudages médicaux, en garantissant qu'ils adhèrent correctement et possèdent la bonne structure dès la base même.