Substrate-Directed Wetting Layers in Bicontinuous Particle-Stabilised Emulsions

Immaginate un mondo in cui potreste costruire minuscole strutture simili a spugne che non collassano mai, riempite di due liquidi diversi che si rifiutano di mescolarsi — come olio e acqua — ma che sono tenuti insieme da un esercito microscopico di particelle. Questo è il regno della scienza colloidale, un ramo della fisica che studia come le minuscole particelle si comportano nei fluidi. In questo mondo, gli scienziati sono ossessionati dal creare materiali bicontinui. Pensate a questi non come a una spugna con dei buchi, ma come a un labirinto complesso e intrecciato dove due liquidi diversi scorrono fianco a fianco in canali continui, come un sistema autostradale a doppia elica. Queste strutture sono incredibilmente efficienti nel trasportare elementi, rendendole perfette per cose come la pulizia dell'inquinamento, l'accumulo di energia nelle batterie o persino per aiutare la crescita di nuovi tessuti corporei.

Per costruire questi labirinti, gli scienziati usano un trucco astuto chiamato STrIPS (Solvent-Transfer-Induced Phase Separation). Immaginate di avere una miscela di olio, acqua e un solvente speciale che ama entrambi. Se si rimuove lentamente quel solvente, l'olio e l'acqua sono costretti a separarsi. Ma invece di formare solo grandi macchie, rimangono intrappolati in una danza caotica e bellissima, creando una rete permanente e intrecciata. Per evitare che questa rete collassi, gli scienziati aggiungono nanoparticelle — minuscoli granelli che agiscono come un'armatura protettiva, incastrandosi al confine tra l'olio e l'acqua per mantenere la forma in posizione.

Ma ecco il problema: quando si cerca di realizzare queste strutture come un film sottile su una superficie solida (come un vetrino da laboratorio), la superficie stessa inizia ad agire come un arbitro autoritario. Non sta solo lì a guardare; influenza il modo in cui l'olio e l'acqua si comportano proprio accanto ad essa. La grande domanda che gli scienziati si sono posti è: Quanto importa alla superficie l'olio rispetto all'acqua, e come cambia questo la forma finale del labirinto? Comprendere questo è fondamentale perché, se volete usare questi film per gadget del mondo reale, dovete sapere esattamente come aderiscono e che aspetto hanno proprio dove toccano il suolo.

In questo studio, Jesse Steenhoff e Martin Haase hanno deciso di giocare ai detective con questi labirinti microscopici. Volevano vedere cosa succede quando si costruiscono questi film "bijel" (gel di emulsione bicontinua con intrappolamento interfacciale) su vetrini di vetro che sono stati modificati per essere o super amanti dell'acqua o ostili all'acqua.

Per prima cosa, hanno dovuto costruire i loro "arbitri autoritari". Hanno preso vetrini di vetro semplici e li hanno trattati con una sostanza chimica chiamata n-OTMS. Pensate a questa sostanza chimica come a un'armatura fatta di minuscole code unte. Immergendo il vetro in un bagno di questa sostanza per diversi intervalli di tempo, potevano controllare quanto il vetro diventasse "unto" (idrofobico). Un immersione breve lasciava il vetro per lo più amante dell'acqua, mentre un'immersione lunga lo rendeva progressivamente ostile all'acqua. Hanno controllato il loro lavoro facendo cadere piccole gocce d'acqua sul vetro; sul vetro non trattato, l'acqua si è distesa piatta, ma sul vetro trattato, l'acqua si è raggruppata in goccioline, provando che la superficie era cambiata.

Successivamente, hanno creato i loro film bijel. Hanno immerso questi vetrini preparati in una miscela precursore contenente olio, acqua e nanoparticelle di silice (larghe circa 22 nanometri). Mentre il solvente evaporava, l'olio e l'acqua si separavano, e le nanoparticelle si incastravano all'interfaccia per congelare la struttura. Per vedere cosa stava accadendo, hanno usato un microscopio super potente chiamato microscopio confocale. Questo non era un normale fotocamera; poteva scattare foto 3D dell'interno del film, tagliandolo strato dopo strato per vedere l'olio (colorato in magenta), l'acqua (nero) e le nanoparticelle (verde).

Ciò che hanno scoperto è stata una storia affascinante di influenza superficiale. Quando hanno usato il vetro più amante dell'acqua (quello non trattato), il film ha formato uno strato di acqua perfettamente liscio e piatto proprio contro il vetro. Era come un fiume d'acqua calmo e laminare che abbracciava la riva. Tuttavia, man mano che rendevano il vetro più ostile all'acqua, la storia cambiava. Lo strato d'acqua liscio scompariva. Inveve, la superficie diventava un patchwork di coperte. Le aree ricche di acqua si rimpicciolivano in piccole isole e le aree ricche di olio iniziavano a prendere il sopravvento, creando uno strato superficiale irregolare e misto.

I ricercatori hanno anche notato qualcosa riguardo all' "armatura" (le nanoparticelle). Quando usavano più nanoparticelle nella miscela, l'intera struttura, incluso lo strato superficiale, diventava più sottile. È come se le nanoparticelle si compattassero così strettamente da schiacciare gli strati. Ciò significava che, per vedere chiaramente gli effetti superficiali, dovevano usare meno nanoparticelle, altrimenti gli strati erano troppo sottili per essere osservati.

Per assicurarsi che le loro osservazioni non fossero solo un caso, hanno eseguito delle simulazioni al computer. Hanno creato un mondo virtuale in cui potevano modificare la "untuosità" della superficie e osservare la separazione dei liquidi. Il computer concordava con il microscopio: su una superficie molto amante dell'acqua, si ottiene uno strato d'acqua liscio; su una superficie molto ostile all'acqua, si ottiene uno strato d'olio liscio. Ma c'era un colpo di scena nell'esperimento del mondo reale. Mentre il computer diceva che una superficie super ostile all'acqua avrebbe dovuto creare uno strato d'olio perfetto e liscio, i film reali non facevano esattamente questo. Inveve di un foglio perfetto, l'olio formava uno strato irregolare e frammentato. Gli autori suggeriscono che ciò sia dovuto al fatto che, se lo strato d'olio fosse diventato troppo perfetto e continuo, l'intero film si sarebbe probabilmente staccato dal vetro e sarebbe volato via nel bagno d'olio circostante!

Quindi, qual è la conclusione? L'articolo suggerisce che la superficie su cui costruite questi film è un regista potente. Non si limita a sostenere il film; modella attivamente il primissimo strato del labirinto. Se volete un inizio ricco di acqua, usate una superficie amante dell'acqua. Se volete un inizio ricco di olio, usate una superficie ostile all'acqua. Ma è un equilibrio delicato: se rendete la superficie troppo estrema, il film potrebbe perdere la sua presa. Questa intuizione aiuta gli scienziati a capire come progettare meglio questi materiali per cose come filtri o scaffold medici, assicurando che aderiscano correttamente e abbiano la giusta struttura fin dal primo strato dal basso.