Des chercheurs de la Texas A&M University ont trouvé un moyen de contrôler la charge des nanoparticules sur une interface à deux fluides pour créer un système plus stable dans lequel sa charge peut également être commutée et contrôlée. La capacité de modifier la charge des nanoparticules sur une interface à deux fluides se traduirait par une surface qui pourrait s’acclimater pour s’adapter à de nombreuses applications diverses, telles qu’une opération de lutte contre les incendies plus durable et même une libération contrôlée de certains médicaments.
« Sur la base de cette idée, nous avons proposé un concept selon lequel ce sera un matériau sensible au pH. Si nous modifions la valeur du pH, nous pouvons contrôler la diffusion moléculaire », a déclaré le Dr Qingsheng Wang, professeur agrégé au département de chimie Artie McFerrin. Ingénierie et titulaire de la bourse de recherche George Armistead ’23 à Texas A&M.
Les recherches de l’équipe ont été publiées dans le journal de l’American Chemical Society, Matériaux appliqués et interfaces ACS.
L’émulsion est un mélange de deux ou plusieurs liquides incompatibles et non miscibles, un peu comme l’huile et l’eau, qui peuvent être stabilisés par l’interférence de particules solides. Ces particules solides s’assemblent étroitement à l’interface fluide-fluide, comme les couloirs de nage dans une piscine, pour empêcher la coalescence. Ce processus est connu sous le nom d’émulsion de Pickering.
Le succès de ce système est finalement rendu possible par l’utilisation de points quantiques de graphène (GQD) contenant des propriétés zwitterioniques. En utilisant plusieurs feuilles de GQD empilées, l’équipe de recherche est capable non seulement de stabiliser l’émulsion, mais également de contrôler la diffusion moléculaire sur l’interface en ajustant ses valeurs de pH, un peu comme en appuyant sur un interrupteur. Ces feuilles mesurent ensemble moins de 5 nanomètres d’épaisseur. Pour mettre cela en perspective, le cheveu humain moyen mesure entre 80 000 et 100 000 nanomètres de large.
Les GQD fonctionnalisés sont composés de matériaux nanocarbonés contenant une structure zwitterionique, qui est formée de nanoparticules qui contiennent une quantité égale de charges positives et négatives tout en restant électroniquement neutres. Une fois les nanoparticules ajoutées à l’interface, elles séparent les deux fluides en rendant un côté hydrophobe et l’autre côté hydrophile.
Cet appoint électronique permet également de contrôler le pH global de l’interface. En ajustant les valeurs de pH, ces GQD peuvent être finement réglés pour bloquer et débloquer une interface huile-eau. Changer les nanoplaquettes sur l’interface à la même charge signifie qu’elles seront désassemblées, créant ainsi un système d’émulsion plus stable.
« Cela va nous aider à concevoir un bon système d’extinction d’incendie à haute performance. De plus, comme nous pouvons contrôler la libération, cela pourrait être prometteur pour l’administration de médicaments et la récupération améliorée du pétrole », a déclaré Wang. « Habituellement, c’est très difficile à faire. Et parfois, si nous pouvons contrôler la libération, mais que le système lui-même n’est pas stable, il ne sera peut-être possible d’en faire qu’un ou deux cycles avant que le système ne s’effondre. »
L’équipe de recherche est composée du doctorant en génie chimique Rong Ma et d’anciens doctorants en génie chimique, le Dr Minxiang Zeng, maintenant chercheur à l’Université de Notre Dame, et le Dr Dali Huang, maintenant ingénieur de procédés chez Formosa Plastics Corporation.
Rong Ma et al, Zwitterionic Graphene Quantum Dots to Stabilize Pickering Emulsions for Controlled-Release Applications, Matériaux appliqués et interfaces ACS (2022). DOI : 10.1021/acsami.1c23226