ایجاد مینی امولسیون های پایدار
مرحله‌ی همگن‌سازی در فرآیند تولید یک مینی امولسیون به علت نیاز به‌تولید قطرات بسیار کوچک تک‌اندازه، بسیار بااهمیت است. همگن‌سازی را می‌توان با روش التراسونیک (ایجاد کمی مینی‌امولسیون برای تولید در مقیاس آزمایشگاهی) و یا همگن‌ساز با فشار بالا (برای مقیاس‌های بزرگ) انجام داد. توزیع اندازه‌ی ذرّات قطرات در مراحل اوّلیّه‌ی همگن‌سازی بسیار پهن است. اما با گذشت زمان و در ادامه با برخورد و شکست‌های متوالی بین قطرات در اثر اعمال برش بالا، اندازه و توزیع اندازه‌ی ذرّات کاهش می‌یابد و در نهایت، مینی‌امولسیون به‌یک حالت پایدار می‌رسد. فرآیند همگن‌سازی را با روش‌های گوناگونی مانند تیرگی (turbidity) و کشش سطحی می‌توان دنبال کرد که این کمیّت‌ها، هردو در حالت پایا عدد یکسانی را نشان می‌دهند.
افزایش کشش سطحی بیانگر پوشش ضعیف قطرات با مولکول‌های مواد سطحی است. در حقیقت، پوشش ناقص قطرات با مواد سطحی، یک مشخّصه‌ی مهم برای سامانه‌های مینی‌امولسیونی و نیز نشان‌دهنده‌ی استفاده‌ی بسیار بهینه و کارا از مواد فعال‌سطحی است. پوشیده‌شدن قطرات با عوامل فعّال‌سطحی به‌اندازه‌ی آن‌ها بستگی دارد. هرچه اندازه‌ی قطرات کوچک‌تر باشد، به‌ماده‌ی فعال‌سطحی بیش‌تری نیاز خواهد بود. اندازه‌ی دقیق قطرات را می‌توان با انتخاب مناسب نوع و مقدار مادّه‌ی فعّال‌سطحی تنظیم کرد. استفاده از مواد فعّال‌سطحی کاتیونی و آنیونی سبب تشکیل قطراتی با اندازه‌ی ذرّات تک‌اندازه‌ی 30 تا 120 نانومتری خواهد شد. درحالی‌که عوامل فعّال‌سطحی الیگومری یا پلیمری غیریونی برای تشکیل قطراتی با اندازه‌ای بین 100 تا 800 نانومتر مناسب هستند.
همان‌گونه که پیش‌تر ذکر شد، سازوکار شناخته‌شده‌ی رشد قطره بر دو نوع است:
- تکامل استوالد
- برخورد (انعقاد)
قطراتی که توضیح آن‌ها ذکر شدند (با اندازه‌ی ذرات در مقیاس نانو) در دو سازوکار بالا به‌عنوان حالت توزیع ناپایا در ماده شناخته می‌شوند. این دو سازوکار باید به‌منظور تشکیل یک مینی‌امولسیون پایدار متوقف شوند. سازوکار برخورد را می‌توان با استفاده‌ی مؤثر از ماده‌ی فعال‌سطحی و سازوکار تعادل استوالد را نیز می‌توان با افزودن یک ماده‌ی آبگریز به‌فاز پراکنده کنترل و متوقف کرد. این عوامل آبگریز قادر نیستند تا از قطره‌ای به‌قطره‌ی دیگر نفوذ کنند و در نتیجه مقداری ماده‌ی آبگریز در هر قطره محبوس می‌شود. این پدیده سبب ایجاد فشار اسمزی در قطره می‌شود که برعکس فشار لاپلاس عمل می‌کند. کارایی ماده‌ی آبگریز با کاهش حلالیت آب در فاز پیوسته افزایش می‌یابد. از این سازوکار قبلاً برای پایدارکردن قطرات فلوئوروآلکان با افزودن پرفلوئورودی‌مورفین‌پروپان استفاده می‌شد که این کار سبب تولید ماده‌ی مؤثر و پایدار برای جانشینی خون شده است. مولکول‌های گوناگونی را می‌توان به‌عنوان عامل آبگریز به‌سامانه اضافه کرد که هر یک ویژگی خاصّی را به‌محصول نهایی می‌بخشد. برای مثال، این مواد می‌توانند عامل رنگزا، نرم‌کننده یا شبکه‌ای‌کننده باشند.
افزودن یک مادّه با خاصیّت آبگریزی بسیار بالا نمی‌تواند سبب توقف رشد قطره شود. زیرا در این شرایط نیز مقدار بسیار اندکی در آب حلّالیّت دارد و رشد قطرات به‌دلیل برخوردها و انتقال‌ها و با کمک مواد سطحی ادامه می‌یابد. امّا سرعت رشد آن را به‌شدّت کاهش می‌دهد. تعادل بین فشار اسمزی و فشار لاپلاس، حالت نهایی سامانه را تعیین می‌کند. زیرا فشار لاپلاس پس از انجام فرآیند مینی‌امولسیون‌سازی، بیش از فشار اسمزی است و قطرات مینی‌امولسیون تمایل دارند تا در یک زمان چندروزه و یا چندهفته‌ای رشد کنند. این زمان تأثیر منفی در کاربردهای سنتزی ندارد. زیرا ساخت ذرّات معمولاً بلافاصله پس از مینی‌امولسیون‌سازی شروع می‌شود. اما با درنظرگرفتن مسیر ترمودینامیکی سامانه، اندازه‌ی قطرات و فشار اسمزی داخل آن‌ها با گذشت زمان افزایش خواهد یافت. به‌منظور جلوگیری از این موضوع، می‌توان مادّه‌ی فعّال‌سطحی دیگری را پس از مرحله‌ی اوّل (مینی‌امولسیون‌سازی) برای کاهش کشش سطحی و فشار لاپلاس به‌سامانه اضافه نمود.
پایدارسازی بالای نانوقطرات حاصل از مینی‌امولسیون و همچنین عدم‌تبادل مواد در میان قطرات (به علت حلالیت پایین مواد در فاز پیوسته) را می‌توان با واکنش رنگی کلاسیکی مانند تشکیل مورکساید (morexide) نیکل در سامانه‌های مینی‌امولسیون وارون نشان داد. یک مینی‌امولسیون با قطرات شامل محلول مورکساید و مینی‌امولسیون دیگر شامل محلول Ni2+ با یکدیگر مخلوط می‌شوند و مخلوط حاصل (که با زمان صفر ثانیه نشان داده شده است)، به‌رنگ قرمز باقی می‌ماند که این موضوع، عدم تشکیل کمپلکس مورکساید نیکل را نشان می‌دهد. در نتیجه، قطرات حاوی مورکساید و Ni2+ درجا در سامانه وجود دارند و هیچ فرآیند انعقاد و شکستی رخ نمی‌دهد. در صورتی که این آزمایش با سامانه‌های میکروامولسیونی انجام شود، به‌علّت کشش‌های سطحی بسیار پایین (نزدیک سطح) و دینامیک سریع فرآیند، واکنش بین اجزاء به‌سرعت رخ می‌دهد. این در حالی است که ماهیّت قطرات در ذرّات مینی‌امولسیونی حفظ می‌شود. در میکروامولسیون به‌علت انتقال‌های جرم موجود، ماهیّت ذرّات تغییر می‌کند. علّت حفظ ماهیّت قطرات در مینی‌امولسیون نیاز به‌انرژی بسیار بالا (برای مثال با التراسونیک) برای انعقاد و شکست قطرات در این سامانه است. البتّه در این سامانه‌ها نیز شکست و انعقاد با اعمال برش بسیار شدید رخ می‌دهد. به‌طوری‌که در مثال مواد رنگی، رنگ سامانه به‌زرد متمایل می‌شود. امّا اندازه‌ی ذرّات تقریباً ثابت باقی می‌ماند. هر قطره‌ی مینی‌امولسیونی را می‌توان به‌عنوان یک نانورآکتور در نظر گرفت. استفاده از این سامانه، تولید نانوذرّات خالص و هیبریدی (که پیش‌تر امکان نداشت) را ممکن می‌کند. در ادامه، برخی از کاربردهای این سامانه بررسی می‌شوند.
قطرات مینی‌امولسیونی به‌عنوان نانورآکتور
اگر نانو ذرات معدنی در یک مونومر آلی پخش و سپس این سامانه در طی فرآیندی مینی‌امولسیفای شوند، ذرّاتی تولید می‌شوند که هسته‌ی معدنی‌شان با یک پوسته‌ی پلیمری کاملاً کپسوله و محافظت می‌شود. کپسوله‌کردن (encapsulation) را می‌توان برای یک ذرّه، خوشه‌ای از ذرّات (مانند کپسوله‌کردن خوشه‌ای از ذرّات کربن با یک فیلم نازک پلیمری) و یا تعداد زیادی از ذرّات ریز انجام داد. خوشه‌های کربنی کپسوله‌شده با فیلم پلیمری را می‌توان در جوهرهای چاپ به‌کار برد و ذرات مغناطیسی کپسوله‌شده را نیز در کاربردهای پزشکی مانند تخریب سلّول‌های بیمار با میدان‌های مغناطیسی استفاده نمود.
فرآیند کپسوله‌کردن تنها به‌مواد جامد محدود نیست و مایعاتی که در پوسته‌ی پلیمری قابل‌حل نیستند را نیز می‌توان برای ساخت نانوکپسول‌ها در مواد پلیمری محبوس کرد. برای ساخت این مواد، مونومر و روغن باید پیش از واکنش پلیمریزاسیون با یکدیگر امتزاج‌پذیر باشند. امّا به‌محض پلیمریزه‌شدن مونومرها، امتزاج‌پذیری آن‌ها از بین برود و فرآیند جدایی فازی رخ دهد. تفاوت آبدوستی سطح مشترک روغن/آب باید به‌گونه‌ای طرّاحی شود که سامانه از لحاظ ترمودینامیکی به‌سوی تشکیل نانوکپسول‌ها پیش برود.
دیواره‌ی کپسول‌ها را می‌توان طوری ساخت که هیچ مادّه‌ای به‌بیرون نفوذ نکند و یا نفوذپذیری مواد به‌بیرون به‌صورت کنترل‌شده باشد. این مواد در ساخت عطر و مواد دارویی به‌کار می‌روند. با توزیع مواد مایع به‌صورت نانوقطرات پایدار با استفاده از مینی‌امولسیون‌ها، افق‌های جدیدی برای ساخت ذرّات همگن گشوده شده‌اند. از این روش می‌توان برای کپسوله‌کردن مایع‌های گوناگون در پوسته‌ی پلیمری استفاده کرد و از نفوذ آن‌ها به‌محیط بیرون نیز جلوگیری نمود. این ممانعت از نفوذ مواد از داخل به‌خارج و برعکس، می‌تواند مواد را از آسیب‌های گوناگون حفظ کند. قابلیّت طراحی دیواره‌های تراوا نیز ساخت مواد هوشمند جدیدی را ممکن می‌کند.
توانایی ساخت مواد پلیمری جدید با ساختارهای متفاوت در اثر سطح مشترک بسیار قوی (در مقایسه با سایر روش‌های ساخت چندفازی) حاصل از فرآیند مینی‌امولسیون است. امروزه استفاده از فرآیندهای مینی‌امولسیونی در علوم مواد به‌سرعت در حال گسترش است و امکانات بسیاری را برای طرّاحی ذرّات جدید در مقابل دانشمندان قرار می‌دهد. به‌عنوان مثال، می‌توان تصوّر کرد که در هر قطره، یک مولکول محبوس است و در آزمایش‌های بسیار پیچیده شیمی‌فیزیکی و ساخت مواد پیچیده مورد استفاده قرار گیرد.
مرجع: و، حدادی‌اصل؛ ح، بوهندی؛ مبانی مهندسی پلیمریزاسیون: روش‌های پلیمریزاسیون، جلد سوّم، ویرایش دوّم، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی‌تکنیک تهران)، ص. 257-253، 1394.
بخوانید: نقش امولسیفایرهای نسل جدید در جوهرهای چاپ
گردآورنده: آقای مهدیار یافتیان- شرکت سیماب رزین
