Физики научились быстро заворачивать капли масла в тонкие полимерные мешочки

Физики предложили способ очень быстрого оборачивания микролитровых капель масла в тонкие полимерные пленки. Для создания подобных капсул каплю масла можно просто бросить на поверхность воды, по которой плавает пленка нанометровой толщины нужной формы. Процесс получения одной такой капсулы занимает доли секунды, пишут ученые в Science.

Чтобы оптимизировать физические и химические процессы в многофазных жидкостях, часто разные фазы предлагают разделять на микрокапельки, разделяя их между собой тонкой пленкой. Образующиеся при этом капсулы миллиметрового или микронного размера используют для транспорта веществ, ограничения диффузии, препятствия слияния капель или в в качестве микрореакторов для химических превращений. Как правило, для разделения фаз используются поверхностно-активные вещества, которые создают между водой и маслом одномолекулярный слой.

Однако такие слои довольно легко разрушить, а их образованием не всегда просто управлять. Поэтому, чтобы создавать более устойчивые капсулы, фазы предлагают разделять более толстыми пленками — тоже тонкими, но все же не молекулярной толщины, а хотя бы в несколько десятков нанометров. Для этого можно использовать, например, пленки из инертных полимеров, однако на данный момент методы получения таких капсул практически достаточно сложны и занимают довольно много времени.

Группа физиков из США, Китая и Японии под руководством Нараянана Менона (Narayanan Menon) из Массачусетского университета разработала новый метод создания капсул различной формы, в которых каплю масла покрывает полистирольная пленка нанометровой толщины. Процесс получения капсул занимает меньше секунды и проходит следующим образом. Сначала но поверхность воды в небольшом сосуде помещается вырезанный из полистирольной пленки диск радиусом от 1,6 до 3,2 миллиметров (в данной работе физики использовали пленки толщиной от 46 до 372 нанометров). После это сверху на пленку с высоты от 1 до 30 сантиметров ученые бросают небольшую капельку масла радиусом примерно 1 миллиметр. Авторы работы предложили использовать масло, у которого плотность примерно в 2 раза больше, чем у воды, а поверхностное натяжение — в 4,5 раза меньше.

При падении капли в области падения сначала формируется воздушная воронка, которая затем за счет поверхностного натяжения схлопывается обратно, приводя к всплеску, и постепенно возвращая поверхности воды плоскую форму. Вторая стадия процесса с подъемом воды наверх приводит к оборачиванию капли масла в полимерную пленку. Объем образовавшейся капсулы полностью определяется площадью пленки, весь «лишний» объем масла оказывается снаружи. При этом физики отмечают, что несмотря на то, что процесс всплеска никак не контролируется, такой механизм оборачивания приводит к образованию замкнутых капсул с практически идеальными швами.

Если радиус полистирольного диска соизмерим с радиусом капли, то насколько удачным окажется процедура оборачивания капли в пленку с помощью такого механизма, зависит от числа Вебера — соотношения между инерцией капли масла и поверхностным натяжением. То есть обернется капля в пленку или нет, зависит от высоты, с которой бросить каплю масла, а также ее радиуса, поверхностного натяжения и плотности. Если же радиус диска достаточно маленький (меньше 2,5 радиуса капли), то вероятность успеха сильно повышается, и капсулы образуются при большинстве доступных в эксперименте условий.

Если вместо круглого полистирольного диска нанометровой толщины использовать пленки другой формы (например, параллелограмма, креста или зигзага), то таким образом можно менять и форму образующихся трехмерных капсул.

Авторы работы отмечают, что получение полностью замкнутых капсул нужной формы с практически идеальными швами препятствует испарению и диффузии масла. Кроме того, подобный процесс возможен не только для многофазных сред, состоящих из воды и масла, но и для других растворителей с подходящими значениями плотности и поверхностного натяжения. Также таким способом можно получать и капсулы, покрытые многослойными пленками. Ученые утверждают, что полученные таким способом капсулы можно использовать для транспорта веществ или для ограничения объема протекающих химических реакций.

Если капли жидкости в двухфазной системе вода-масло имеют не миллиметровый размер, а микронный, для их разделения все же более оправдано использовать не тонкие полимерные пленки, а молекулы поверхностно-активных веществ. Получая такие капли в микрофлюидных устройствах, можно собирать из них, например, упорядоченные сложные системы, по своей структуре похожие на атомы. А для получения упорядоченных систем без контакта между каплями одной фазы можно их вообще ничем не покрывать и использовать для этого гидродинамические и термодинамические неустойчивости.

Александр Дубов