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(Foco Nanowerk) Los investigadores han aprovechado las propiedades únicas de las partículas rugosas a nanoescala para crear nuevos canales de emulsión continuos con aplicaciones potenciales que van desde la administración de fármacos hasta la purificación. Su trabajo, publicado en Materiales funcionales avanzados (“Canales de emulsión continua logrados controlando la interfaz agua-aceite únicamente con coloides rugosos”) muestra cómo la fricción mejorada por la rugosidad puede ralentizar la dinámica y estabilizar interfaces líquido-líquido complejas.
Las emulsiones, que mezclan líquidos inmiscibles, son fundamentales para productos que van desde alimentos hasta cosméticos. Por ejemplo, las emulsiones como la mayonesa mezclan líquidos que normalmente no se mezclan. Requieren moléculas añadidas llamadas tensioactivos para estabilizar la interfaz entre los líquidos. (La mayonesa es una emulsión de aceite, yemas de huevo y vinagre o jugo de limón, con especias para darle sabor. Las yemas actúan como emulsionantes porque contienen lecitina, una sustancia que ayuda a mezclar y estabilizar la mezcla a base de aceite y agua, vinagre o jugo de limon.)
Recientemente, los científicos han desarrollado emulsiones que utilizan partículas sólidas a micro o nanoescala en lugar de tensioactivos. Las partículas se adsorben en la interfaz líquido-líquido y la fijan.
Estas denominadas emulsiones de Pickering pueden formar gotas discretas. Más interesantes son las redes bicontinuas llamadas redes bicontinuas. geles de emulsión bicontinuos y de interfaz fijada o bijeles. En lugar de manchas aisladas, los Bijels contienen canales interconectados de los dos fluidos que impregnan el material.
Hasta ahora, los bijels requerían un cuidadoso equilibrio de los líquidos, así como modificaciones en la química de la superficie de las partículas. Los científicos han adoptado ahora un nuevo enfoque mediante el uso de partículas gruesas de sílice sin aditivos químicos pero con una rugosidad a nanoescala adaptada. Su enfoque innovador evita la necesidad anterior de realizar modificaciones personalizadas en la química de las superficies o pares de fluidos equilibrados con precisión.
Los investigadores descubrieron que estas partículas «con baches» forman redes inusuales cuando se mezclan con agua, etanol y aceite de silicona. El avance clave fue utilizar rugosidad artificial para manipular las interacciones entre partículas y partículas con líquido.
Las partículas esféricas más suaves no pueden reforzar de manera estable las complicadas interfaces fluidas de Bijels. Sin embargo, el equipo descubrió que ciertas partículas rugosas frustran el proceso habitual de separación de fases. Este atrapamiento cinético durante la mezcla da como resultado redes de desequilibrio en lugar de las fases separadas esperadas.
Imágenes y simulaciones avanzadas mostraron cómo la topografía de la superficie de las partículas dificulta su reordenamiento en la interfaz. Las proyecciones de la superficie se entrelazan y resisten la presión y el corte. Este bloqueo de configuración preserva las estructuras de bijel durante períodos de tiempo que van desde milímetros hasta segundos y minutos.
Además de estabilizar la interfaz, las redes de partículas rugosas atrapadas imparten una rigidez mecánica similar a la de un sólido. Esta resistencia a la deformación distingue a Bijels de otras emulsiones y permite aplicaciones como la tecnología de microrreactores.
Los investigadores también analizaron cómo el etanol permitió la formación de bijel. Redujo la tensión superficial para promover la unión de partículas en la interfaz aceite-agua. Y los modelos informáticos mostraron una migración preferencial de etanol del agua para enriquecer aún más la interfaz. Esta autooptimización de la interfaz dinámica fue la clave para la formación de redes de partículas.
Los surfactantes pueden crear fácilmente gotas, redes y más. Lo que es único es que este nuevo enfoque con nanopartículas gruesas abre caminos hacia bijeles utilizando mezclas líquidas miscibles y biocompatibles como etanol, agua y aceites de silicona. Los investigadores obtuvieron redes 3D consistentes en volúmenes de aproximadamente 7 ml sin cambios en la química de la superficie de las partículas.
Estas redes tienen usos potenciales que van desde la administración de medicamentos hasta implantes médicos. Como prueba de concepto, el equipo cargó diferentes medicamentos contra el cáncer en cada dominio de fluido. Las combinaciones mostraron mayor eficacia que los fármacos individuales.
Los Bijels también permitieron la eliminación de contaminantes del petróleo atrapando partículas en la interfaz, demostrando aplicaciones para purificación y microfiltración.
Fundamentalmente, estos conocimientos sobre el uso de rugosidad artificial a nanoescala para evitar la separación de fases tienen implicaciones de gran alcance para el diseño de emulsiones. Las observaciones mejoran la comprensión fundamental de los mecanismos de emulsificación. Esto podría ayudar a la optimización computacional de emulsiones y otros materiales blandos.
Al controlar con precisión los límites entre fluidos, el enfoque de partículas adaptadas también puede permitir emulsiones con nuevos motivos arquitectónicos. Un mayor desarrollo de Bijels como microambientes 3D podría abrir puertas en la biología sintética, los microfluidos y el desarrollo de materiales.
En general, este estudio muestra que los aspectos físicos de las nanopartículas, como la rugosidad, permiten un uso productivo de la física caótica de la interfaz de partículas. Combinado con la ampliación de la capacidad de producir formas y superficies de partículas complicadas, esto promete sistemas de emulsión más sofisticados para la investigación y la industria.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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