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Physikalische Chemie: Für Schaumschläger

Ein schönes kühles Bier ist zu dieser Jahreszeit ein wahrer Genuss. Am besten mit einer wohl geformten Schaumkrone. Doch meist ist der Spaß schnell vorbei, und der Schaum fällt in sich zusammen. Vielleicht könnten hier - trotz Reinheitsgebot - Nanopartikel weiterhelfen.
SchaumLaden...
Was haben ein Glas Bier, Schlagsahne, Geschirrspülmittel, Shampoo und Schaumfestiger gemein? Sie sollen ordentlich schäumen. Physikalisch betrachtet sind Schäume Gasblasen, die durch flüssige oder feste Stege begrenzt werden. Während nun feste Schäume wie Schaumgummi oder Schlagsahne recht stabil sind, fallen flüssige Schäume meist rasch in sich zusammen: Lassen wir ein Bier zu lange stehen, ist die Schaumkrone weg; auch der schönste Spaß im Schaumbad hört schnell auf.

Warum fällt der Schaum in sich zusammen? Die Flüssigkeit, welche die Gasbläschen umgibt, fließt langsam nach unten ab, ein Teil verdunstet auch. Dadurch werden die Lamellen zwischen den Bläschen immer dünner. Die Blasen an der Oberfläche zerplatzen, Blasen verschmelzen miteinander, kleine Blasen schrumpfen zu Gunsten größerer.

Um Schäume zu stabilisieren, werden gewöhnlich oberflächenaktive Substanzen oder Proteine eingesetzt. Es geht jedoch auch effektiver, wie Bernard Binks und Tommy Horozov von der Universität Hull herausgefunden haben: mit feinst verteilten silikatischen Nanopartikeln.

Stabilisierter SchaumLaden...
Stabilisierter Schaum | Je wasserabweisender die Silikat-Nanopartikel waren, desto stabiler blieb der Schaum: Die obere Reihe zeigt die Schäume nach zehn Minuten, die untere nach 13,5 Stunden – sortiert nach steigender Hydrophobizität (angegeben als Prozentanteil der hydrophilen SiOH-Gruppen).
Die winzige Klümpchen aus Kieselerde-Nanopartikeln lagern sich an die Oberflächen der Schaumbläschen an. Das tun oberflächenaktive Substanzen auch, doch im Gegensatz zu diesen können sich die Nano-Teilchen nicht wieder von der Blase ablösen. Erfolgsgeheimnis der britischen Chemiker war nun die richtig austarierte "Wasserscheu" der Partikel: Diese konnten sie, je nachdem, wie stark sie die an sich wasserfreundlichen silikatischen Partikel mit einer wasserabstoßenden Schicht überzogen hatten, gezielt einstellen. Je wasserscheuer die Partikel waren, desto tiefer und fester drückten sie sich in die Luftblase. Zu hydrophob, also wasserabweisen durften sie andererseits aber nicht werden, weil sie sich sonst gar nicht erst in ausreichendem Maße von der Wasserphase benetzen ließen. Als optimal erwiesen sich Kieselerde-Partikel mittlerer Hydrophobizität.

SchaumstrukturLaden...
Schaumstruktur | Unter dem Mikroskop zeigen sich die gewellte Struktur der stabilisierten Schaumbläschen (Maßstab: 50 Mikrometer).
Unter dem Mikroskop offenbarte sich eine geriffelt Oberfläche der mit einer Schicht dicht an dicht gedrängter Teilchen bedeckten Blasen. Die Forscher vermuten, dass diese stabilen Blasen beim Verschmelzen kleinerer, zunächst nicht so dicht eingehüllten Bläschen entstehen. Da mehrere kleinere Blasen insgesamt eine größere Oberfläche haben als eine große des selben Gesamtvolumens, schrumpft beim Verschmelzen der Platz, der den Partikeln zur Verfügung steht. Die Partikel, die sich ja nicht ablösen können, rücken daher immer dichter zusammen – die Oberfläche wellt sich. Die dicht gedrängten Nano-Klümpchen schützen so die Luftblasen vor dem Kollabieren und stabilisieren den Schaum.
21.06.2005

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 21.06.2005

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