Stabile Schäume

  • 20. September 2017

Materialforscher entschlüsseln Grundlagen zur Stabilisierung von Bläschen. 

Auf dem Oktoberfest fließt das Bier in Strömen. Der Gersten­saft erzeugt jedoch nicht nur ein kollek­tives Delirium, sondern verzückt wegen seines prächtigen Schaums auch Material­wissenschaftler. Ein guter Bierschaum ist ein Zeichen für die Qualität und die Frische eines Biers. Eine typische Schaumk­rone ist 1,5 Zentimeter dick und besteht aus 1,5 Millionen Bläschen. Idealer­weise bleibt sie stabil, doch meist verschmelzen die Bläschen bald miteinander oder sie platzen und der Schaum fällt in sich zusammen. Dieses Verhalten ist typisch für alle Arten von Schäumen, seien dies nun Nahrungs­mittel oder moderne Industrie­materialien.

Abb.: Mit diesem Mikrofluidik-Experiment konnten die Forscher einzelne Bläschen gezielt beschichteten. (Bild: J. Vermant, ETHZ)

Abb.: Mit diesem Mikrofluidik-Experiment konnten die Forscher einzelne Bläschen gezielt beschichteten. (Bild: J. Vermant, ETHZ)

Einer dieser Vorgänge, der Schaum instabil macht, ist besonders schwierig zu stoppen. Ostwald-Reifung nennen Fachleute diesen Prozess, den der deutsche Chemiker und Nobelpreis­träger von 1909, Wilhelm Ostwald, schon vor über 100 Jahren beschrieben hatte. Dabei werden große Bläschen noch größer und kleine schrumpfen und verschwinden. Die Ostwald-Reifung verändert die Textur von Bier­schaum und anderen geschäum­ten Lebens­mitteln und Konsum­artikeln auf uner­wünschte Weise, und sie schwächt die Produkt­qualität. Schäume und Emulsionen zu stabi­lisieren, ist deshalb eine Heraus­forderung bei ver­schiedensten Anwen­dungen, von Pflegeprodukten bis hin zu modernen funk­tionalen Materialien.

Oberflächen­stabilisa­toren wie bestimmte Proteine im Bier können die Reifung des Schaums aber verlang­samen, indem sie die Oberflächen­spannung senken. Verhindern können Stabili­satoren die Ostwald-Reifung aller­dings nicht. Hat diese eingesetzt, lässt sie sich nicht mehr stoppen. Jan Vermant, Professor für weiche Materialien der ETH Zürich, und seine Gruppe haben nun für dieses Schaum­problem eine neue wissen­schaftliche Grundlage erarbeitet. Es ist ihnen zum ersten Mal gelungen, die Stabi­lisierung von Schaum­bläschen quanti­tativ zu erfassen und allgemein­gültige Prinzipien zu formulieren. „Diese Prinzipien werden der Lebens­mittel- und Material­industrie helfen, gezielt Stabili­satoren zu entwickeln, welche der Ostwald-Reifung vorbeugen oder sie gar stoppen“, sagt Vermant.

Die Material­forscher konnten zeigen, wie bestimmte Partikel als Schaums­tabilisatoren wirken und kleine Bläschen vor dem Schrumpfen schützen. Zu Test­zwecken verwendeten die Wissen­schaftler mikrometer­große Polymer­teilchen sowie Partikel von reiskorn­artiger Form. Die beiden unter­schiedlichen Teilchen bilden eine unregel­mäßige Netz­struktur an der Bläschen­oberfläche.
In einer speziellen Mikro­fluidik-Anordnung testeten die Forscher, ob dieses Netzwerk die Bläschen genügend stützt. Darin konnten sie einzelne Bläschen gezielt mit einer kontrol­lierten Menge dieser Stabili­satoren beschichten und danach in einer Mini-Druck­kammer stufen­weise steigenden Druck­verhältnissen aussetzten. Die Wissen­schaftler simu­lierten damit Ostwald-Reifung.

„Dadurch konnten wir genau festhalten, bei welchem Druck ein Bläschen zu schrumpfen beginnt und schließlich kollabiert“, sagt Peter Beltramo, Postdoktorand bei Vermant. Dank ihrer speziellen Versuchs­anordnung konnten die Forschenden nicht nur Einzelb­läschen untersuchen. Sie konnten auch die Zahl der Partikel, die ein Bläschen umgeben, variieren und dann die Anzahl der Partikel mit den mecha­nischen Eigen­schaften des Bläschens in Bezug setzen. Es zeigte sich, dass teilweise bedeckte Bläschen genauso stabil sein können wie solche, die voll­kommen mit Partikeln bedeckt sind. Damit lässt sich die benötigte Menge eines Stabili­sators genau vorhersagen. „Dank unseren Erkennt­nissen lassen sich viel Material und damit Kosten einsparen“, betont Beltramo. Weiter stellten die Forscher fest, dass ein beschich­tetes Bläschen einem viel höheren Druck standhält als ein unbe­schichtetes.

Die gewonnenen Erkennt­nisse seien über Schäume hinaus universell gültig für alle Materialien mit großen Ober­flächen oder Anwen­dungen, in denen Ober­flächen eine wichtige Rolle spielten, sagt Vermant. Unter anderem gelte das Prinzip auch für die Lunge oder das Auge, das durch einen Tränenfilm geschützt sei. „Diese dünnen Filme sind sehr stabil – entwickelt von der Natur“, sagt Vermant. Die Erkennt­nisse könnten auch für die Industrie nützlich sein. Wissen­schaftler könnten nun nach Stabili­satoren forschen, die schaumige Lebens­mittel wie Eiscreme, Brotteig oder auch Bier­schaum haltbarer machten.

„Wir geben der Lebensmittel­industrie Entwicklungs­richtlinien und Quanti­fizierungs­werkzeuge in die Hand, die sie bei der Entwicklung neuer Produkte verwenden können“, erklärt Vermant. Und was für Bierschaum oder Eiscreme recht ist, ist für Beton billig. Kleine stabile Bläschen in Beton machen ihn widerstands­fähiger gegenüber Zyklen von Einfrieren und Auftauen. Zudem wird er dadurch leichter. „Über Eiscreme und stabilen Bierschaum nachzu­denken kann also zu neuen besseren Materia­lien führen“, freut sich Vermant.

ETHZ / JOL

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