Microemulsioni

Olio e acqua non si mescolano, eppure esistono miscele di olio, acqua e tensioattivo perfettamente limpide e stabili che si formano da sole e non si separano mai. Non sono emulsioni come la maionese, ma qualcosa di diverso: le microemulsioni, un piccolo paradosso della chimica delle interfacce.

Vediamo che cosa distingue una microemulsione da una normale emulsione, perché è trasparente e stabile per sempre e a cosa serve.

Non sono emulsioni

Il nome inganna: una microemulsione non è semplicemente un’emulsione con goccioline più piccole. La differenza è profonda. Un’emulsione normale è instabile: prima o poi le gocce si fondono e le fasi si separano, e per crearla bisogna fornire energia agitando. Una microemulsione, invece, si forma spontaneamente e resta stabile indefinitamente, perché è uno stato di equilibrio vero e proprio, non una situazione provvisoria.

Perché sono trasparenti

Le goccioline di una microemulsione sono piccolissime, molto più piccole della lunghezza d’onda della luce visibile. Per questo non disperdono la luce e la lasciano passare: la miscela appare limpida, come un liquido puro, mentre un’emulsione comune, con gocce grandi che diffondono la luce, è lattiginosa e opaca. La trasparenza è quindi il segno visibile della scala minuscola delle goccioline.

Il segreto: una tensione quasi nulla

La ragione per cui una microemulsione si forma da sola è che il tensioattivo, spesso aiutato da una seconda sostanza detta co-tensioattivo, abbassa la tensione interfacciale fra olio e acqua fino a valori bassissimi, quasi a zero. Quando creare nuova interfaccia non costa quasi nulla, conviene energeticamente suddividere una fase in goccioline minuscole, perché si guadagna in disordine più di quanto si spenda in interfaccia. Il sistema raggiunge così, da solo, uno stato stabile fatto di tantissime piccole gocce.

microemulsione  =  goccioline piccolissime  +  tensione interfacciale ≈ 0  →  stabile e spontanea

Le diverse strutture

A seconda delle proporzioni, una microemulsione può avere strutture diverse. Può essere fatta di goccioline di olio in acqua, di goccioline di acqua in olio, oppure assumere strutture intricate e continue in cui olio e acqua si compenetrano in canali sottilissimi, dette bicontinue. Variando la quantità di tensioattivo, la temperatura o la salinità si passa dall’una all’altra, una versatilità che le rende strumenti preziosi per molti usi.

A cosa servono

Le microemulsioni hanno tantissime applicazioni proprio grazie alla loro stabilità e alla capacità di sciogliere insieme sostanze che si scioglierebbero solo nell’olio e sostanze che si scioglierebbero solo nell’acqua. Si usano per veicolare farmaci poco solubili, in cosmetici e profumi limpidi, in detergenti molto efficaci, per estrarre o trasportare sostanze, e perfino per recuperare il petrolio dai giacimenti abbassando la tensione che lo trattiene nelle rocce. La possibilità di fare avvenire reazioni nelle minuscole goccioline d’acqua o d’olio le rende anche piccoli reattori per sintetizzare nanoparticelle di dimensione controllata.

Una questione di equilibrio

Il fatto che una microemulsione sia uno stato di equilibrio ha una conseguenza pratica importante: il suo comportamento dipende fortemente dalle condizioni. Cambiare la temperatura, aggiungere sale o variare le proporzioni può far passare il sistema da una struttura all’altra o farlo separare, e queste transizioni vanno conosciute e controllate. Questa sensibilità, lungi dall’essere solo un problema, è anche uno strumento: permette di “accendere” e “spegnere” la microemulsione al momento giusto, per esempio per rilasciare ciò che contiene o per separare i prodotti di una reazione. Capire i diagrammi che descrivono quali strutture si formano nelle varie condizioni è quindi essenziale per usarle bene.

Il ruolo del co-tensioattivo

Un dettaglio pratico importante è che spesso un solo tensioattivo non basta a formare una microemulsione: serve aggiungere una seconda sostanza, detta co-tensioattivo, di solito una piccola molecola con una parte affine all’acqua e una all’olio, come certi alcoli. Il suo compito è inserirsi fra le molecole di tensioattivo all’interfaccia rendendo lo strato più flessibile e abbassando ulteriormente la tensione interfacciale, fino ai valori bassissimi che permettono alle goccioline minuscole di formarsi da sole. Senza questa flessibilità, l’interfaccia sarebbe troppo rigida per curvarsi attorno a gocce così piccole. La scelta e la quantità del co-tensioattivo diventano quindi una leva fine per regolare il sistema: cambiandoli si sposta il confine fra le diverse strutture e si decide quale tipo di microemulsione si forma. Questo spiega perché preparare una microemulsione richieda spesso di trovare la combinazione giusta di olio, acqua, tensioattivo e co-tensioattivo, un equilibrio delicato che, una volta centrato, dà però un sistema straordinariamente stabile e utile.

Domande frequenti

Che cos’è una microemulsione?

È una miscela trasparente e stabile di olio, acqua e tensioattivo, in cui le goccioline di una fase dispersa nell’altra sono piccolissime. A differenza di un’emulsione comune si forma da sola ed è all’equilibrio, quindi non si separa mai nel tempo, restando limpida e omogenea per un tempo indefinito a differenza di una normale emulsione, che invece prima o poi vede le sue gocce fondersi e le fasi separarsi nettamente.

Perché è trasparente?

Perché le sue goccioline sono molto più piccole della lunghezza d’onda della luce visibile, quindi non la disperdono e la lasciano passare. Un’emulsione comune, con gocce grandi che diffondono la luce, appare invece lattiginosa e opaca: la trasparenza segnala la scala minuscola.

Perché si forma spontaneamente?

Perché il tensioattivo, spesso con un co-tensioattivo, abbassa la tensione interfacciale fra olio e acqua quasi a zero. Allora creare nuova interfaccia costa pochissimo, e conviene suddividere una fase in tante goccioline minuscole: il sistema raggiunge da solo questo stato stabile.

Che differenza c’è con un’emulsione normale?

L’emulsione è instabile e si separa col tempo, è torbida e richiede agitazione per formarsi. La microemulsione è stabile per sempre, trasparente e si forma spontaneamente, perché è uno stato di equilibrio e non una dispersione provvisoria di gocce grandi.

A cosa servono le microemulsioni?

A veicolare farmaci poco solubili, in cosmetici e detergenti limpidi, per estrarre sostanze, recuperare petrolio e sintetizzare nanoparticelle nelle loro minuscole goccioline. La capacità di sciogliere insieme sostanze affini all’olio e all’acqua le rende molto versatili, perché in un’unica fase limpida convivono sostanze che da sole non si mescolerebbero mai, un vantaggio prezioso in formulazione.