Universellement stabilisé

Des chercheurs dirigés par Lucio Isa, professeur d'interfaces au Département de science et ingénierie des matériaux de l'ETH Zurich, ont créé des particules de silicium pour stabiliser des émulsions d'un nouveau type. Une émulsion est un mélange finement divisé de deux liquides en principe non miscibles.

Le mélange est constitué de gouttelettes d'un liquide dispersées dans l'autre. La sauce à salade composée d'huile et de vinaigre (en fait d'eau) en est un exemple courant : ses composants, le vinaigre et l'huile, ne se mélangent pas d'eux-mêmes. Ce n'est qu'en remuant vigoureusement avec un fouet que l'on obtient un mélange homogène. Si on le laisse reposer, les gouttelettes de vinaigre finement réparties fusionnent et les liquides se séparent complètement.

Différents émulsifiants nécessaires

Il est donc nécessaire de stabiliser les émulsions. Pour cela, on utilise un grand nombre d'émulsifiants différents, comme par exemple des tensioactifs, des protéines ou des polymères. Dès le début du 20e siècle, les chimistes britanniques W. Ramsden et S.U. Pickering ont démontré que les émulsions pouvaient également contenir de très fines particules solides, par exemple des particules de silicate sphériques (SiO₂), peuvent être stabilisés.

Les particules se déplacent alors spontanément dans la couche limite entre les deux liquides et s'y déposent. Elles forment ainsi une sorte de carapace autour des gouttelettes et les empêchent de fusionner - l'émulsion reste stable pendant longtemps. Jusqu'à présent, il fallait toutefois deux types de particules : celles dont la surface est hydrophile, qui se trouvent majoritairement dans l'eau et ne stabilisent que les émulsions huile dans l'eau, et celles dont la surface est hydrophobe, qui se trouvent majoritairement dans l'huile. Elles ne stabilisent donc que les mélanges eau-dans-huile.

Un émulsifiant suffit

Cela pourrait désormais être terminé : Les chercheurs de l'EPFZ autour d'Isa ont équipé la surface de ces billes de silicate d'un à six micromètres de diamètre de nanoparticules de silicate d'un diamètre beaucoup plus petit afin de les rendre rugueuses. Les minuscules billes prennent ainsi la forme de framboises. Michele Zanini, doctorant à l'Isa, a pu modifier la rugosité de la surface de manière contr?lée et a créé toute une collection de ces particules.

Dans une étude qui vient de para?tre dans Nature Communications, les chercheurs montrent qu'ils peuvent stabiliser les deux types d'émulsions avec un seul type de particules de framboise. Cela dépend uniquement du liquide dans lequel ils introduisent les particules avant l'émulsification. Si les chercheurs placent les particules dans la phase huileuse, ils obtiennent une émulsion eau dans l'huile. Inversement, ils peuvent stabiliser une émulsion huile dans eau (gouttelettes d'huile finement dispersées dans l'eau) s'ils dissolvent préalablement leurs nouvelles particules dans l'eau. "Ces nouvelles particules sont ainsi universellement utilisables pour produire des émulsions", explique Lucio Isa.

Les particules rugueuses se déplacent moins loin

Cela s'explique par le fait que la surface rugueuse réduit la mobilité des particules à travers la surface des gouttelettes. "Elles avancent certes à la surface entre les liquides, mais peuvent s'y déplacer moins loin que des particules de silicate comparables à surface lisse - les particules rugueuses restent coincées avant de pouvoir prendre la position la plus favorable pour elles sur le plan énergétique à l'interface", souligne le professeur de l'ETH.

Avec leurs particules de framboise, Isa et ses collaborateurs ont jeté les premières bases d'une recherche plus approfondie dans ce domaine. Les chercheurs de l'ETH ont déjà fait breveter leur nouveau procédé de développement des particules comme émulsifiants.

Nouvelles applications

Les applications possibles de ces particules sont nombreuses, à savoir partout où des émulsions doivent être stabilisées, comme par exemple dans l'industrie chimique. Bien qu'Isa et ses collaborateurs se soient concentrés sur des systèmes modèles, leurs principes découverts en laboratoire peuvent être étendus aux particules naturelles et rugueuses utilisées comme émulsifiants. De nouvelles applications sont ainsi envisageables, par exemple dans le secteur alimentaire, dans les cosmétiques ou dans l'industrie pharmaceutique. Pour cela, il faut toutefois poursuivre les recherches.