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Münster (upm/ch)

Mehr als der perfekte Milchschaum

Prof. Dr. Björn Braunschweig und sein Team erforschen, wie Schäume funktionieren und wie man sie steuern kann
Dana Glikman, Prof. Dr. Björn Braunschweig und Christian Honnigfort (von links)<address>© WWU - Peter Leßmann</address>
Dana Glikman, Prof. Dr. Björn Braunschweig und Christian Honnigfort (von links)
© WWU - Peter Leßmann

Wie lange der Milchschaum auf dem Kaffee cremig bleibt, entscheidet sich im ganz Kleinen. Genauer gesagt: durch die Bestandteile der Milch an den Grenzflächen zwischen den Schaumblasen. „Wenn sich die Eigenschaften dieser Moleküle steuern lassen, können auch die makroskopisch sichtbaren Eigenschaften eines Schaums eingestellt werden: Stabilität, Struktur, Viskosität und Elastizität“, sagt Prof. Dr. Björn Braunschweig, Professor für Physikalische Chemie an der WWU. „Das ist eine Herausforderung für die Wissenschaft.“ Die Eigenschaften von Schäumen genau steuern zu können, ist für deren Anwendung ein lohnendes Ziel. Denn ob Schaumstoffe für Verpackungen, leichte Metallschäume für den Autobau oder Polymerschäume zur Wärme-isolierung: Aus dem Alltag sind Schäume nicht wegzudenken.

Für Björn Braunschweig und sein Team geht es allerdings nicht um den perfekten Milchschaum, sondern darum zu verstehen, wie etwas so Gewöhnliches wie ein Schaum auf molekularer Ebene funktioniert. Die Gruppe, die zum Teil im Institut für Physikalische Chemie an der Corrensstraße untergebracht ist und zum Teil im SoN an der Busso-Peus-Straße, verfügt über eine hoch spezialisierte Laborausstattung und langjährige Expertise, um die Grenzflächen zwischen den Schaumblasen zu analysieren. Beispielsweise nutzen die Wissenschaftler ein in weiten Teilen selbst entwickeltes Laserspektrometer, mit dem sie die Zusammensetzung und die Ausrichtung von Molekülen an einer Grenzfläche analysieren können.

Die Münsteraner widmen sich auch einem speziellen, kaum erforschten Gebiet: den schaltbaren Schäumen. Was das bedeutet, führen Doktorand Christian Honnigfort und Masterstudentin Dana Glikman in einem hellen, modernen Chemielabor im zweiten Stock im SoN vor. Auf einem Labortisch steht ein etwa 50 Zentimeter hohes Analysegerät. In seinem Innern ist ein mit Schaum gefüllter Glaszylinder, angestrahlt von einer grünen LED. Der Schaumanalysator misst unter anderem die Schaumhöhe und die Blasenstruktur, um Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Schaums zu ermöglichen.

Dana Glikman und Christian Honnigfort haben einen besonderen Schaum zum Vermessen in das Innere des Glaszylinders gegeben. Er ist sehr stabil, bereits seit Minuten lassen sich die im grünen Licht schimmernden Schaumblasen ohne Zerfallserscheinungen beobachten. Plötzlich ändert sich das Bild: Christian Honnigfort schaltet die Beleuchtung von grünem Licht auf UV-Licht, der Schaum erscheint nun orange – und fängt innerhalb von Sekunden an zu zerfallen. „Die Moleküle, die die Grenzflächen zwischen den Gasblasen des Schaums stabilisieren, ändern durch das UV-Licht ihre Struktur und damit auch ihre physikalischen Eigenschaften“, erklärt der Doktorand. „Die Folge ist: Der Schaum wird instabil.“

Schaum besteht aus Gas – beispielsweise Luft – und Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser. „Man kann sich einen Schaum aus vielen eng aneinandergelegten und von Lamellen getrennten Gasblasen vorstellen, an deren Grenzflächen sich ein molekular dünner Film ausbildet“, veranschaulicht Björn Braunschweig, der für seine Forschungen im Jahr 2014 einen „Starting Grant“ des Europäischen Forschungsrats erhielt.

Durch das SoN haben wir einen echten Standortvorteil.
Prof. Dr. Björn Braunschweig

Dana Glikman und Christian Honnigfort mit dem Schaumanalysator<address>© WWU - Peter Leßmann</address>
Dana Glikman und Christian Honnigfort mit dem Schaumanalysator
© WWU - Peter Leßmann
Damit ein Schaum stabil bleibt, müssen die Gasblasen zwar eng beieinanderliegen, dürfen aber nicht miteinander verschmelzen. Dazu werden meist Moleküle – Tenside, Proteine und viele andere – verwendet, welche eine wasserabstoßende hydrophobe und eine wasserliebende hydrophile Seite aufweisen. Sie ordnen sich an den Grenzflächen so aneinander, dass die hydrophoben Seiten in Richtung Gasphase zeigen und die hydrophilen Molekülseiten in Richtung Flüssigkeit. Auf diese Weise umhüllen die Moleküle die Blasen und können zur Schaumstabilität beitragen. Im Milchschaum sind das zum Beispiel spezielle Milchproteine, die sich an den vorhandenen Grenzflächen zwischen Luft und Flüssigkeit anlagern.

Häufig sorgen elektrostatische Wechselwirkungen dafür, dass sich die Grenzflächen in den Schaumlamellen abstoßen und sich damit nicht allzu nahe kommen – was zu stabilen Schäumen führt. Genau dieser Abstoßungseffekt geht bei den schaltbaren Schäumen von Christian Honnigfort und Dana Glikman unter UV-Licht verloren, weil durch die UV-Bestrahlung die Moleküle ihre Form verändern und damit die elektrostatische Abstoßung innerhalb der Schaumlamellen „ausgeschaltet“ wird. Die Blasen verschmelzen, und der Schaum fällt in sich zusammen.

Die schaltbaren Schäume haben Anwendungspotenzial für die Zukunft. „Man könnte beispielsweise an Schäume denken, die Defekte quasi auf Knopfdruck selbst reparieren, oder an bessere Recycling-Möglichkeiten dadurch, dass Schäume sich nach Gebrauch in ihre Bestandteile zerlegen lassen“, sagt Björn Braunschweig. Doch das ist Zukunftsmusik – die Erforschung schaltbarer Schäume ist Pionierarbeit. Björn Braunschweig betont: „Durch das SoN haben wir einen echten Standortvorteil. Meine Gruppe hat die Expertise, um die Grenzflächen der Schäume zu analysieren. Aber man braucht auch die Fachkenntnis, um die molekularen Schalter herzustellen.“ Genau diese Expertise hat das Team von Chemiker Prof. Dr. Bart Jan Ravoo, das seine Labore im SoN direkt nebenan hat.

Dana Glikman ist eine Masterstudentin beider Professoren. Sie erforscht, welche molekularen Eigenschaften an der Bildung von Schaum beteiligt sind, und geht wie Doktorand Christian Honnigfort in den verschiedenen Laboren ein und aus. „Die Gruppe von Professor Ravoo interessiert sich für durch Licht schaltbare, also photoresponsive Moleküle, die mit speziellen Oberflächen interagieren können“, berichtet sie. „Ein Beispiel für mögliche Anwendungen sind photoaktive, schaltbare Klebstoffe. Bei Professor Braunschweig wandeln wir dieselben Molekülbausteine ab und nutzen sie, um Schäume zu stabilisieren oder zu destabilisieren. Durch die Kooperation habe ich jederzeit in beiden Gruppen Ansprechpartner für meine Fragen.“

Autorin: Christina Heimken

Dieser Artikel stammt aus der Universitätszeitung "wissen|leben" Nr. 7, November/Dezember 2018.

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