Substrate-Directed Wetting Layers in Bicontinuous Particle-Stabilised Emulsions

Stel je een wereld voor waarin je kleine, sponsachtige structuren kunt bouwen die nooit instorten, gevuld met twee verschillende vloeistoffen die weigeren te mengen – zoals olie en water – maar die bij elkaar worden gehouden door een microscopisch leger van deeltjes. Dit is het domein van de colloïdale wetenschap, een tak van de natuurkunde die bestudeert hoe kleine deeltjes zich gedragen in vloeistoffen. In deze wereld zijn wetenschappers geobsedeerd door het creëren van bicontinuele materialen. Denk hierbij niet aan een spons met gaten, maar aan een complex, verweven doolhof waar twee verschillende vloeistoffen naast elkaar stromen in continue kanalen, als een dubbele helix-snelwegsysteem. Deze structuren zijn ongelooflijk efficiënt in het verplaatsen van zaken, wat ze perfect maakt voor zaken als het opruimen van vervuiling, het opslaan van energie in batterijen, of zelfs het helpen groeien van nieuw lichaamsweefsel.

Om deze doolhoven te bouwen, gebruiken wetenschappers een slim trucje genaamd STrIPS (Solvent-Transfer-Induced Phase Separation). Stel je voor dat je een mengsel hebt van olie, water en een speciaal oplosmiddel dat van beide houdt. Als je dat oplosmiddel langzaam verwijdert, worden de olie en het water gedwongen om te scheiden. Maar in plaats van alleen grote klodders te vormen, raken ze gevangen in een chaotische, prachtige dans, waardoor er een permanent, verweven netwerk ontstaat. Om dit netwerk van instorten te weerhouden, voegen wetenschappers nanodeeltjes toe – piepkleine spikkels die fungeren als een beschermend pantser, door zichzelf tussen de grens van de olie en het water te wurmen om de vorm op zijn plaats te houden.

Maar hier zit de adder onder het gras: wanneer je probeert deze structuren te maken als een dunne film op een vast oppervlak (zoals een glazen plaat), begint dat oppervlak zelf te handelen als een bemoeizuchtige scheidsrechter. Het zit er niet alleen maar; het beïnvloedt hoe de olie en het water zich vlakbij het oppervlak gedragen. De grote vraag die wetenschappers zich hebben gesteld is: Hoeveel geeft het oppervlak om de olie versus het water, en hoe verandert dat de uiteindelijke vorm van het doolhof? Het begrijpen hiervan is cruciaal, want als je deze films wilt gebruiken voor real-world gadgets, moet je precies weten hoe ze plakken en hoe ze eruitzien op de plek waar ze de grond raken.

In dit onderzoek besloten Jesse Steenhoff en Martin Haase detective te spelen met deze microscopische doolhoven. Ze wilden zien wat er gebeurt als je deze "bijels" (bicontinue interfacially jammed emulsion gels) films bouwt op glazen plaatjes die zijn aangepast om ofwel super waterminnend of waterafstotend te zijn.

Eerst moesten ze hun eigen "bemoeizuchtige scheidsrechters" bouwen. Ze namen gewone glazen plaatjes en behandelden deze met een chemische stof genaamd n-OTMS. Denk aan deze chemische stof als een harnas gemaakt van piekleine, vettige staartjes. Door de glazen plaatjes voor verschillende tijdsduur in een bad van deze chemische stof te dompelen, konden ze controleren hoe "vet" (hydrofoob) het glas werd. Een korte duik liet het glas grotendeels waterminnend, terwijl een lange duik het steeds meer waterafstotend maakte. Ze controleerden hun werk door kleine waterdruppels op het glas te laten vallen; op het onbehandelde glas verspreidde het water zich plat, maar op het behandelde glas vormden de waterdruppels zich tot bolletjes, wat bewees dat het oppervlak was veranderd.

Vervolgens maakten ze hun bijel-films. Ze dompelden deze speciaal voorbereide glazen plaatjes in een precursor-mengsel bestaande uit olie, water en silica-nanodeeltjes (ongeveer 22 nanometer breed). Terwijl het oplosmiddel verdampte, scheidden de olie en het water, en de nanodeeltjes blokkeerden de interface om de structuur te bevriezen. Om te zien wat er gebeurde, gebruikten ze een superkrachtige microscoop genaamd een confocale microscoop. Dit was niet zomaar een gewone camera; het kon 3D-foto's maken van de binnenkant van de film, waarbij het de film laag voor laag doorsneed om de olie (gekleurd magenta), het water (zwart) en de nanodeeltjes (groen) te zien.

Wat ze vonden was een fascinerend verhaal van oppervlakte-invloed. Wanneer ze het meest waterminnende glas gebruikten (het onbehandelde type), vormde de film een perfect gladde, platte laag water direct tegen het glas aan. Het was als een kalme, laminaire rivier van water die de oever omhelst. Echter, naarmate ze het glas meer waterafstotend maakten, veranderde het verhaal. De gladde waterlaag verdween. In plaats daarvan werd het oppervlak een lappendeken. De waterrijke gebieden krompen in tot kleine eilandjes, en de olie-rijke gebieden begonnen het over te nemen, waardoor een hobbelig, gemengd oppervlak ontstond.

De onderzoekers merkten ook iets op over het "pantser" (de nanodeeltjes). Wanneer ze meer nanodeeltjes in het mengsel gebruikten, werd de hele structuur, inclusief de oppervlakte-laag, dunner. Het is alsof de nanodeeltjes zo dicht op elkaar gepakt zaten dat ze de lagen naar beneden drukten. Dit betekende dat ze minder nanodeeltjes nodig hadden om de oppervlakte-effecten duidelijk te kunnen zien, anders waren de lagen te dun om te kunnen waarnemen.

Om er zeker van te zijn dat hun observaties geen toevalstreffer waren, voerden ze computersimulaties uit. Ze creëerden een virtuele wereld waarin ze de "vetheid" van het oppervlak konden aanpassen en de vloeistoffen konden zien scheiden. De computer stemde overeen met de microscoop: op een zeer waterminnend oppervlak krijg je een gladde waterlaag; op een zeer waterafstotend oppervlak krijg je een gladde oillayer. Maar er was een twist in het echte experiment. Hoewel de computer zei dat een super waterafstotend oppervlak een perfecte, gladde oillayer zou creëren, deden de echte films dat niet precies. In plaats van een perfecte sheet, vormde de olie een korrelige, ongelijkmatige laag. De auteurs suggereren dat dit komt omdat als de oillayer te perfect en continu zou worden, de hele film zich van het glas zou kunnen lostrekken en in de omliggende olie-bad zou gaan drijven!

Dus, wat is de belangrijkste les? Het artikel suggereert dat het oppervlak waarop je deze films bouwt een krachtige regisseur is. Het houdt de film niet alleen vast; het vormt actief de allereerste laag van het doolhof. Als je een waterrijk begin wilt, gebruik dan een waterminnend oppervlak. Als je een olie-rijk begin wilt, gebruik dan een waterafstotend oppervlak. Maar het is een delicaat evenwicht: maak het oppervlak te extreem, en de film kan zijn grip verliezen. Dit inzicht helpt wetenschappers om deze materialen beter te ontwerpen voor zaken als filters of medische steigers, zodat ze goed blijven plakken en de juiste structuur hebben, vanaf de allereerste onderlaag.