Emulsioni di Pickering stabilizzate da particelle

Di solito per stabilizzare un’emulsione — mescolare in modo duraturo olio e acqua — si usano i tensioattivi. Ma esiste un modo diverso e sorprendente: usare minuscole particelle solide che si piazzano all’interfaccia fra le due fasi e fanno da guscia protettiva. Sono le emulsioni di Pickering, e hanno proprietà uniche.

Vediamo come una particella solida può ancorarsi così saldamente all’interfaccia olio-acqua, perché ne deriva una stabilità eccezionale e dove queste emulsioni trovano impiego.

Particelle al posto dei tensioattivi

In un’emulsione comune, le goccioline di una fase dispersa nell’altra sono tenute separate da tensioattivi, molecole che si dispongono all’interfaccia. In un’emulsione di Pickering questo compito è svolto da particelle solide piccolissime, come silice, argille o particelle di cera, che si attaccano alla superficie delle goccioline formando un guscio rigido. Il principio è diverso, ma il risultato è lo stesso: impedire alle gocce di fondersi.

Perché la particella resta incollata

La chiave è che una particella parzialmente bagnabile dall’acqua e parzialmente dall’olio si trova all’interfaccia in una posizione energeticamente favorevole. Per staccarla da lì e riportarla in una delle due fasi servirebbe molta energia, perché significherebbe ricreare una porzione di interfaccia olio-acqua. Per le particelle non troppo piccole questa energia è enorme rispetto all’agitazione termica: la particella resta ancorata praticamente per sempre, e questa è la ragione della straordinaria stabilità.

Una barriera solida

Mentre i tensioattivi formano uno strato di molecole in continuo movimento, le particelle creano una vera e propria armatura solida attorno a ogni goccia. Quando due gocce si avvicinano, i loro gusci di particelle si toccano e impediscono meccanicamente la fusione. Questa barriera fisica rende le emulsioni di Pickering molto più resistenti di molte emulsioni tradizionali, capaci di durare mesi o anni senza separarsi.

energia per staccare la particella  ∝  γ · r²   (cresce con la tensione interfacciale e con la dimensione)

Chi sta dentro e chi sta fuori

Un dettaglio elegante decide quale fase resta dispersa. Se le particelle sono preferibilmente bagnate dall’acqua, tendono a curvarsi avvolgendo l’olio, e si ottiene un’emulsione di olio in acqua; se sono preferibilmente bagnate dall’olio, avvolgono l’acqua e si ottiene il tipo opposto. Regolando la bagnabilità delle particelle si controlla quindi che tipo di emulsione si forma, in modo analogo a come si sceglie un tensioattivo in base alla sua natura.

I vantaggi pratici

Le emulsioni di Pickering offrono pregi concreti. Possono fare a meno dei tensioattivi, che in alcuni prodotti — cosmetici, alimenti, farmaci — sono indesiderati perché irritanti o poco graditi. Sono molto stabili e robuste. E permettono di “incapsulare” sostanze all’interno delle goccioline, rilasciandole in modo controllato, una proprietà utile per veicolare principi attivi o aromi. Inoltre le particelle stesse possono dare funzioni extra, come protezione dai raggi solari o attività catalitica.

Dove si usano

L’interesse per queste emulsioni è cresciuto molto, sia per la ricerca di prodotti senza tensioattivi sia per la possibilità di usare particelle naturali e biocompatibili. Si studiano per cosmetici delicati sulla pelle, per alimenti in cui si vogliono ridurre gli additivi, per sistemi che trasportano e rilasciano farmaci, e perfino come piccoli reattori in cui far avvenire reazioni all’interfaccia. La possibilità di costruire l’emulsione con particelle “su misura”, scegliendone dimensione, forma e bagnabilità, apre molte strade, e fa di questo un campo in pieno sviluppo nella chimica delle interfacce.

Da cosa dipende la stabilità

Per ottenere una buona emulsione di Pickering non basta gettare delle particelle nell’olio e nell’acqua: alcune condizioni sono decisive. La bagnabilità delle particelle deve essere intermedia, cioè non devono essere bagnate solo dall’acqua né solo dall’olio, altrimenti se ne andrebbero tutte in una delle due fasi senza fermarsi all’interfaccia. La dimensione conta perché l’ancoraggio è tanto più saldo quanto più la particella è grande, ma se le particelle sono troppo grosse diventano difficili da disperdere: c’è un compromesso. Anche la quantità è importante: ne servono abbastanza da coprire tutta la superficie delle gocce, formando un guscio completo; se sono troppo poche, restano zone scoperte dove le gocce possono fondersi. Infine la tendenza delle particelle ad attrarsi un poco fra loro aiuta a costruire gusci compatti e resistenti. Regolando questi fattori — natura della superficie, dimensione, concentrazione — si passa da emulsioni instabili a emulsioni che durano anni, ed è proprio in questo controllo che sta l’arte di preparare buone emulsioni di Pickering.

Domande frequenti

Che cos’è un’emulsione di Pickering?

È un’emulsione di olio e acqua stabilizzata da particelle solide piccolissime invece che da tensioattivi. Le particelle si ancorano all’interfaccia fra le due fasi formando un guscio protettivo attorno alle goccioline, che impedisce loro di fondersi, comportandosi come un’armatura rigida e duratura molto più resistente di un comune strato di tensioattivo, capace di tenere separate le gocce per mesi o anni anche senza alcun additivo tradizionale, ed è proprio questa robustezza il motivo per cui se ne fa un uso crescente in cosmetica e alimenti.

Perché sono così stabili?

Perché staccare una particella dall’interfaccia richiede molta energia, ben superiore all’agitazione termica: la particella resta ancorata quasi per sempre. Inoltre i gusci solidi attorno alle gocce formano una barriera meccanica che impedisce fisicamente la loro fusione.

Che differenza c’è con un’emulsione normale?

Nell’emulsione normale la barriera è uno strato di molecole di tensioattivo in continuo movimento; in quella di Pickering è un guscio solido di particelle. Questa armatura rigida rende le emulsioni di Pickering molto più resistenti e durature di molte emulsioni tradizionali.

Da cosa dipende il tipo di emulsione che si forma?

Dalla bagnabilità delle particelle: se sono bagnate meglio dall’acqua avvolgono l’olio, dando un’emulsione di olio in acqua; se sono bagnate meglio dall’olio avvolgono l’acqua, dando il tipo opposto. Regolando la bagnabilità si sceglie quindi il tipo di emulsione.

Dove si usano?

In cosmetica e alimenti dove si vogliono evitare i tensioattivi, in farmaci per incapsulare e rilasciare in modo controllato i principi attivi, e come piccoli reattori per reazioni all’interfaccia. L’uso di particelle naturali e biocompatibili ne ha aumentato molto l’interesse, perché permette di ottenere prodotti stabili evitando del tutto i tensioattivi tradizionali, talvolta irritanti o poco graditi.