Émulsions eau-dans-eau stabilisées par des micelles à cœur coacervat complexe

Water-in-water emulsions stabilised by complex coacervate micelles

• Auteur / Autrice : Léna Vincent
• Direction : Cécile Monteux
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences et ingénierie de la matière molle (Paris ; 1997-....)

Mots clés

Mots clés libres

Emulsion eau-dans-eau

Polymère

Coacervat

Water-in-water emulsion

Polymer

Coacervate

Résumé

Des émulsions eau-dans-eau (E/E) se forment lorsque des solutions aqueuses de deux polymères incompatibles sont mélangées, conduisant à deux phases riches en l'un ou l'autre. Elles suscitent de plus en plus d'intérêt en raison de leur utilisation potentielle pour l'encapsulation, mais aussi pour l'alimentation. Cependant, contrairement aux émulsions huile/eau, la tension interfaciale est beaucoup très faible, de l'ordre de 100 µN/m et la largeur de l'interface entre les deux phases est de l'ordre de quelques nanomètres. Pour ces raisons, leur stabilisation est difficile car elle ne peut pas être réalisée par l'ajout de stabilisants moléculaires tels que les tensioactifs. Ces dernières années, plusieurs approches ont été employées telles que l'encapsulation des gouttelettes dans une capsule protectrice, la gélification de la phase continue, l'adsorption de polymères à l'interface ou encore l'effet Pickering en utilisant des particules colloidales. Ce dernier s'est avéré être le moyen le plus efficace de stabiliser les émulsions E/E. Les particules doivent être suffisamment grosses pour s'adsorber à l'interface et une stabilisation est obtenue si elles présentent une affinité pour les deux phases. Dans ce contexte, les micelles à cœur coacervat complexe (C3Ms) apparaissent comme d'excellents candidats. Les C3Ms sont obtenues par assemblage de polyélectrolytes de charges opposées, qui complexent par interactions électrostatiques en formant des particules de coacervat de taille nanométrique. Ces particules de coacervat sont stabilisées grâce à la présence d'un bloc hydrophile neutre sur au moins un des deux polyélectrolytes pour former une couronne stabilisante autour du cœur du coacervat. La taille et la morphologie des C3Ms peuvent être ajustées par le rapport des unités neutres aux unités chargées dans le ou les copolymères diblocs, mais également par des paramètres tels que le pH, la concentration en sel ou la température. Nous proposons l'utilisation de ces particules hydrophiles comme stabilisants dans les émulsions E/E. Leur affinité pour les deux phases pourra être contrôlée par un choix judicieux des unités de répétition. Lors de la première année de thèse, le but sera d'élaborer des C3Ms avec diverses compositions et de les caractériser par diffusion de la lumière. Ensuite, nous étudierons la stabilité dans le temps des émulsions E/E en présence des C3Ms. Nous chercherons par la suite à déstabiliser les émulsions à la demande en appliquant un stimulus qui désassemble les C3Ms tel que le pH ou la force ionique. La stabilité des émulsions E/E sera d'abord étudiée par des observations macroscopiques et par analyse de turbidité, et leur microstructure sera étudiée par microscopie confocale. Enfin, des systèmes pour l'alimentation pourront être développés en choisissant précautionneusement des polyélectrolytes adaptés à cette fin.

Water-in-water (W/W) emulsions form when aqueous solutions of two incompatible polymers are mixed, resulting in two phases rich in one or the other. They are attracting more and more interest because of their potential use for encapsulation, but also for food science. However, unlike oil/water emulsions, the interfacial tension is much very low, of the order of 100 μN/m and the width of the interface between the two phases is of the order of a few nanometers. For these reasons, their stabilization is difficult because it cannot be achieved by adding molecular stabilizers such as surfactants. In recent years, several approaches have been used such as the encapsulation of droplets in a protective capsule, the gelation of the continuous phase, the adsorption of polymers at the interface or the Pickering effect using colloidal particles.1 The latter have proven to be the most effective stabilizers of W/W emulsions. The particles must be large enough to adsorb at the interface and stabilization is achieved if they display affinity for both phases.2, 3 In this context, micelles with a complex coacervate core (C3Ms) appear as excellent candidates. C3Ms are obtained by assembling polyelectrolytes with opposite charges, which complex by electrostatic interactions to form coacervate particles of nanometric size. These soft particles are stabilized thanks to the presence of a neutral hydrophilic block on at least one of the two polyelectrolytes to form a stabilizing crown around the core of the coacervate. The size and morphology of C3Ms can be tuned by the ratio of neutral units to charged units in the diblock(s), but also by parameters such as pH, salt concentration or temperature.4 We propose the use of these hydrophilic particles as stabilizers in W/W emulsions. Their affinity for both phases can be controlled by a judicious choice of repeating units. During the first year, the goal will be to develop C3Ms with various compositions and to characterize them by light scattering. Then, we will study the stability over time of W/W emulsions in the presence of C3Ms. We will then seek to destabilize the emulsions on-demand by applying a stimulus that disassembles the C3Ms such as pH or ionic strength. The stability of W/W emulsions will first be studied by macroscopic observations and by turbidity analysis, and their microstructure will be studied by confocal microscopy. Ultimately, food-grade systems will be developed with suitable polyelectrolytes for this purpose.