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Nanoemulsion: Wasser und Öl – ein Trick macht die Mischung

Wasser und Öl vereinen sich nur ungern. Mit einer neuen, am MIT entwickelten Methode lassen sich die beiden Substanzen jedoch mischen – und bilden eine stabile Nanoemulsion.
A new way to mix oil and water

Veröffentlicht am: 08.11.2017

Laufzeit: 0:02:34

Sprache: englisch

Untertitel: englisch

Das Massachusetts Institute of Technology (MIT) ist eine renommierte, private Forschungsuniversität in Cambridge, im US-Bundesstaat Massachusetts.

Wasser und Öl bleiben lieber für sich: Schüttet man beide zusammen in ein Gefäß, bildet sich eine klar definierte Grenze zwischen ihnen aus: oben das Öl, unten das Wasser. Zwar lässt sich diese Ordnung kurzfristig durch Schütteln oder Umrühren stören. Doch schon innerhalb kurzer Zeit finden die nun im Öl schwimmenden Wassertröpfchen wieder zusammen, und die Flüssigkeiten trennen sich. Jeder, der schon einmal Salatdressing aus Essig (einer auf Wasser basierenden Flüssigkeit) und Öl zubereitet hat, kennt den Effekt.

Das YouTube-Video des Massachusetts Institute of Technology (MIT) stellt auf eine sehr anschauliche Weise eine neue Methode vor, mit deren Hilfe Wasser und Öl langfristig zu einer stabilen Emulsion vermischt werden können. Nun sind solche Emulsionen sowohl in der Pharmazie als auch in der Lebensmittelindustrie von Bedeutung. Schließlich haben Arzneimittel wie auch Nahrung oftmals deshalb ein Verfallsdatum, weil die darin enthaltenen Emulsionen instabil sind. Von daher könnte das neue Verfahren, das die Forscher als energieeffizient anpreisen, dort in Zukunft eine wichtige Rolle spielen.

Aber warum vermischen sich Öl und Wasser eigentlich nicht von selbst? Um diese Frage zu beantworten, muss man die Polarität der beteiligten Moleküle – also die Verteilung der Ladungen in ihrem Inneren – genauer betrachten. Wasser ist ein polares Molekül, in dem Elektronen auf Grund der höheren Elektronegativität des Sauerstoffs aus den beiden Wasserstoffatomen in Richtung des Sauerstoffatoms verschoben werden. Dadurch entstehen in dem Molekül eine leicht positiv geladene Wasserstoffseite und eine leicht negativ geladene Sauerstoffseite. Das hat zur Folge, dass sich zwei benachbarte Wassermoleküle stark anziehen. Dabei zieht es immer den Sauerstoff des einen in die Nähe des Wasserstoffs des anderen Moleküls. Öl dagegen ist unpolar. Seine inneren Ladungen sind gleichmäßig verteilt, und es ergibt sich keine Möglichkeit, sich stark an ein Wassermolekül zu binden. Dadurch wird das Öl sozusagen vom Wasser ausgeschlossen.

Die neue Methode zur Herstellung einer stabilen Emulsion beruht im Wesentlichen auf zwei Effekten: Einerseits werden winzige Wassertröpfchen mit Durchmessern um die 100 Nanometer erzeugt, die selbst unter dem Mikroskop kaum mehr zu erkennen sind. Und andererseits wird dem Öl genau die richtige Menge Netzmittel beigemengt. Dazu mischten die Forscher zunächst Dodekan, ein Öl, das sich besonders schlecht in Wasser löst, mit Span 80, einem handelsüblichen Netzmittel, und platzierten den Behälter in einer 20 Grad warmen Kammer mit einer hohen Luftfeuchtigkeit von 75 bis 80 Prozent. Dann kühlten sie das Gemisch auf zwei Grad ab, wodurch das Wasser aus der Luft an der Oberfläche des Gemisches in Form von Nanotröpfchen kondensierte und schließlich ins Innere diffundierte.

Das Netzmittel half bei diesem Prozess zum einen dabei, dass das Öl die Wassertröpfchen an der Oberfläche zügig umschloss und so ins Innere beförderte. Zum anderen sorgte es dafür, dass die einzelnen Tröpfchen im Öl nicht wieder miteinander verschmolzen. Die so entstandene Emulsion blieb über mehrere Monate stabil.

Natürlich gibt es auch andere Methoden, winzige Wassertröpfchen in Öl zu erzeugen. Dabei werden üblicherweise größere Tropfen mit Hilfe von Schallwellen in immer kleinere aufgespalten. Den Wissenschaftlern zufolge sind diese Prozesse aber mit einem deutlich höheren Energieverbrauch verbunden, der umso größer wird, je feiner die Tröpfchen sein sollen. Gerade bei industriellen Anwendungen könnte die Energieeffizienz also ein entscheidender Vorteil für die neue Methode der MIT-Forscher sein.

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