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News: Das Geheimnis einer guten Mischung

Beim Frühstück kann es passieren, dass die Nüsse im Müsli ganz oben liegen, die Rosinen aber ganz unten. Milch dagegen lässt die verschiedenen Teilchen schön gleichmäßig miteinander verklumpen. Jetzt haben Forscher herausgefunden, welche Kräfte dieses Verhalten hervorrufen.
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Wahrscheinlich hat jeder schon einmal Bekanntschaft mit dem Paranuss-Effekt gemacht. Er bewirkt, dass in einer granularen Mischung - zum Beispiel in einer Packung Studentenfutter - die großen Teile oft ganz oben zu finden sind. Das ist gut, wenn die einzelnen Materialien oder Zutaten getrennt werden sollen, aber ganz schlecht, wenn eine gute Mischung gefragt ist.

Lange Zeit blieb dieses alltägliche Phänomen unverstanden. Die Verwirrung wurde sogar noch größer, als Wissenschaftler feststellten, dass unter bestimmten Umständen genau der gegenteilige Effekt auftreten kann - also manchmal die großen Teile zu Boden sinken. Der Paranuss-Effekt erwies sich für die Wissenschaft wahrhaftig als harte Nuss.

Tatsächlich gelang es erst vor zwei Jahren Forschern von der Lehigh University in Pennsylvania, das Phänomen schlüssig zu erklären – zumindest im Trockenzustand. Hongming Li und Joseph McCarthy von der University of Pitsburgh gingen die Angelegenheit allerdings weniger trocken an. Sie wollten auch feststellen, was mit granularen Materialien unter Beimischung von Wasser passiert.

Dazu berechneten sie die Kräfte zwischen den einzelnen Bestandteilen aufgrund ihrer Dichte, Größe und Affinität zu Wasser. Dabei gingen die Wissenschaftler davon aus, dass die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen vor allem auf der schwachen Anziehungskraft zwischen den Molekülen – der so genannten Van-der-Waals-Kraft – beruht.

Um vorherzusagen, ob sich zwei verschiedene Materialien miteinander vermischen, verglichen sie dann die Anziehungskraft zwischen zwei gleichen Körnern mit der zwischen zwei Teilchen mit unterschiedlichen Eigenschaften. War letztere höher, sollten sich die beiden Sorten vermischen, ansonsten eben nicht.

Aber Li und McCarthy beschränkten sich nicht nur darauf, Vorhersagen zu treffen. Sie testeten ihre Theorien auch experimentell. Dazu füllten sie einen runden Mischbehälter zur Hälfte mit jeweils zwei Sorten unterschiedlich gefärbter Kügelchen, wobei sie verschieden dichte und große Teilchen benutzten. Auch die Oberflächenbeschaffenheit wurde bei den Tests variiert. Diese Kombinationen versuchten die Wissenschaftler dann, einmal trocken und einmal nass zu vermischen.

Und tatsächlich trennten sich der Theorie entsprechend unter bestimmten Bedingungen einige Teilchensorten voneinander und andere wiederum ließen sich wunderbar vermengen. Interessanterweise konnte sich die Mischbarkeit unter Zugabe von Wasser schlagartig ändern. So entmischten sich in einigen Fällen in ein und derselbe Mischung die Teilchen im trockenen Zustand beim Schütteln voneinander, während sie nass beisammen blieben - und umgekehrt.

Die Erklärung für dieses Verhalten fanden die Forscher in der Wechselwirkung des Wassers mit den Kugeloberflächen. Wenn zum Beispiel die grünen Teilchen eine hydrophile Fläche besitzen und die roten eine hydrophobe, dann sollten die roten Bestandteile im feuchten Zustand zusammenklumpen, die grünen aber nicht. Beide Sorten lassen sich folglich auch dann nicht vermengen, wenn es trocken möglich ist.

Wenn allerdings die beiden Kugeln unterschiedlich groß, aber beide hydrophil sind, dann trennen sich die beiden Bestandteile zwar im trockenen Zustand voneinander, Wasser aber kann beide wie Klebstoff zusammenhalten und zu einer guten Mischung machen.

So kann manchmal mit der Zugabe von Wasser gesteuert werden, ob der Paranuss-Effekt auftritt oder nicht. Diese Erkenntnis ist überall dort wichtig, wo es auf die richtige Mischung ankommt: von der Pharmazie bis hin zur Lebensmittelindustrie.

Allerdings sind gerade bei Lebensmitteln natürliche Grenzen für die Anwendung gesetzt. So werden sich die Zutaten eines feuchten Müslis zwar beim Transport wohl nicht mehr trennen. Aber wer möchte schon einen labbrigen Mischmasch zum Frühstück essen?

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