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Donnerstag, 24. August 2017
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Wissenschaft & Technik, Technologien

Emulsionen auf neuartige Weise stabilisieren

Donnerstag, 15. Juni 2017

Forscher haben Mikropartikel mit rauer, himbeerenartiger Oberfläche entwickelt, die Emulsionen auf neuartige Weise stabilisieren. Das Verfahren weist einen ganz entscheidenden Vorteil auf.

Die "Himbeerpartikel" mit ihrer kontrolliert aufgerauten Oberfläche haben Durchmesser von einem bis sechs Mikrometer. Quelle: Michele Zanini, Isa Group, ETH Zürich
Die "Himbeerpartikel" mit ihrer kontrolliert aufgerauten Oberfläche haben Durchmesser von einem bis sechs Mikrometer. Quelle: Michele Zan...

Zur Stabilsierung von Emulsionen wird eine große Zahl verschiedener Emulgatoren wie Tenside, Proteine oder Polymere eingesetzt. Schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts zeigten britische Chemiker auf, dass Emulsionen zudem auch mit feinsten Festkörperpartikeln, beispielsweise solchen aus kugelförmigen Silikatpartikeln (SiO2), stabilisiert werden können.

Bisher zwei Typen erforderlich

Dabei bewegen sich die Partikel spontan in die Grenzschicht zwischen den zwei Flüssigkeiten und lagern sich dort an. Dadurch bilden sie eine Art Panzer um die Tröpfchen und verhindern deren Verschmelzung - die Emulsion bleibt für lange Zeit stabil. Allerdings brauchte es bis dazo zwei Typen von Partikeln: solche mit hydrophilen Oberflächen, die mehrheitlich im Wasser sitzen und nur Öl-in-Wasser-Emulsionen stabilisieren, und solche mit hydrophoben Oberflächen, welche größtenteils in Öl sitzen. Sie stabilisieren demzufolge nur Wasser-in-Öl-Gemische.

Ein Emulgator genügt

Damit könnte nun Schluss sein: Die Forscher am Departement Materialwissenschaft der ETH Zürich haben die Oberfläche solcher Silikatkügelchen von eins bis sechs Mikrometer Durchmesser mit Silikat-Nanopartikeln von viel geringerem Durchmesser bestückt, um sie aufzurauen. Dadurch erhalten die winzigen Kügelchen die Form von Himbeeren. Die Wissenschaftler konnten die Rauheit der Oberfläche kontrolliert verändern und eine ganze Sammlung solcher Partikel erstellen.

Universell einsetzbar

In einer Studie, die in Nature Communications erschienen ist, zeigen die Forscher auf, dass sie mit nur einer Sorte von solchen Himbeer-Partikeln beide Typen von Emulsionen stabilisieren können. Abhängig ist dies einzig davon, in welche Flüssigkeit sie die Partikel vor der Emulgierung einbringen. Geben die Forscher die Partikel in die Ölphase, entsteht eine Wasser-in-Öl-Emulsion. Umgekehrt können sie eine Öl-in-Wasser-Emulsion stabilisieren, wenn sie ihre neuen Partikel zuvor in Wasser lösen. "Diese neuen Partikel sind dadurch universell einsetzbar, um Emulsionen herzustellen", sagt Lucio Isa, Professor für Grenzflächen.

Raue Partikel wandern weniger weit

Zu tun habe dies damit, dass die raue Oberfläche die Beweglichkeit der Partikel durch die Tröpfchenoberfläche verringere. "Sie stossen zwar an die Oberfläche zwischen den Flüssigkeiten vor, können sich aber weniger weit in diese hineinbewegen als vergleichbare Silikatpartikel mit glatter Oberfläche – die rauen Partikel bleiben stecken, ehe sie die für sie energetisch günstigste Position an der Grenzfläche einnehmen können», betont Isa. Das neue Verfahren zur Entwicklung der Partikel als Emulgatoren haben die Forscher bereits patentieren lassen.

Neue Anwendungen

Mögliche Anwendungen für diese Teilchen gibt es viele, nämlich überall dort, wo Emulsionen stabilisiert werden müssen, wie zum Beispiel in der chemischen Industrie. Auch neue Anwendungen sind denkbar. Dafür braucht es allerdings weitere Forschung.

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