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20.03.2018

Schäume, Gele, dünne Filme

Wie aus weicher Materie intelligente Oberflächen entstehen

Die Forschungsobjekte von Regine von Klitzing sind weder eindeutig flüssig noch eindeutig fest, sondern eine Mischung aus beidem. Aus dieser „weichen Materie“ wollen die Physik-Professorin und ihr Team funktionelle Beschichtungen und „schaltbare“ Schäume entwickeln.

Regine von Klitzing und ihr Mitarbeiter, Matthias Kühnhammer, wollen die Strukturen in makroskopischen Schäumen mit Hilfe von Neutronenstreuung untersuchen und entwickeln hierfür eine spezielle Probenumgebung. Bild: Katrin Binner
Regine von Klitzing und ihr Mitarbeiter, Matthias Kühnhammer, wollen die Strukturen in makroskopischen Schäumen mit Hilfe von Neutronenstreuung untersuchen und entwickeln hierfür eine spezielle Probenumgebung. Bild: Katrin Binner

Ein Cappuccino schmeckt am besten mit cremigem und zartem Milchschaum. Ein vergleichbar gelungenes Ergebnis mit Hafer- oder Mandelmilch zu erzielen, fällt schwer. Ein Grund dafür liegt im Mikroskopischen: winzige Proteinkörperchen stabilisieren den Schaum und sorgen für feine Luftbläschen. Der Cappuccino-Schaum zeigt, wie Dinge, die nur wenige Nanometer (millionstel Millimeter) klein sind, den für Menschen wahrnehmbaren Makrokosmos verändern. Für Professorin Regine von Klitzing ist die Erforschung solcher Brücken zwischen Klein und Groß eine große Herausforderung. Um Milchschaum geht es in ihrem Team am Institut für Festkörperphysik der TU Darmstadt zwar nicht. Aber um die Materialklasse, zu der das leckere Topping gehört, „weiche Materie“ genannt. Damit meinen Physiker eine Art gemischten Aggregatzustand zwischen „fest“ und „flüssig“. Gele gehören dazu, wie etwa Götterspeise, elastische Kunststoffe wie Gummi oder eben Schäume.

Was weiche Materie interessant macht, ist nicht nur der betörende Geschmack einiger Vertreter. Auch die Technik soll profitieren, etwa mit intelligenten Oberflächenbeschichtungen, die als Sensoren wirken oder durch Formänderung selbst aktiv werden. Von Klitzings Team will die komplexe Welt weicher Materie grundlegend erforschen. Dazu gehört auch die Kreation ganz neuer Materialien mit spezifischen Funktionen und Eigenschaften. Von Klitzing bringt jahrzehntelange Erfahrung auf dem Gebiet ein. In ihrem Team vereint sich Expertise mit einer umfassenden experimentellen Ausstattung. „Wir decken von der Synthese neuer Materialien bis hin zu deren Charakterisierung das ganze Spektrum ab“, nennt die Physikerin eine Stärke.

Gele mit Signalen schalten

Potenzial für intelligente Oberflächen sehen die Forscherinnen und Forscher in bestimmten Nanogelen. Sie bestehen aus einem kugelförmigen Netz von kettenartigen Molekülen, so genannten Polymeren, die in Wasser gelöst sind. Bei Erwärmung lösen sich die Polymere schlechter im Wasser. Dann verdrängen die Kügelchen das Nass aus ihrem Innern. Die Folge – sie schrumpfen. Weil dies bei einer festen, vom konkreten Material abhängigen, Temperatur geschieht, lässt sich das Nanogel zwischen groß und klein „schalten“. Es gibt auch Gele, die auf andere Signale reagieren. „Manche lassen sich mit dem pH-Wert schalten, andere durch Feuchte oder Magnetfelder“, sagt von Klitzing. Das Team testet Gele aus verschiedenen Polymeren und fügt Nanopartikel in sie ein. Mit Goldnanopartikel angereicherte Nanokügelchen etwa lassen sich gezielt mit einem fokussierten Lichtstrahl „umschalten“.

Ein weiterer Forschungsfokus von Klitzings sind sehr dünne flüssige Filme, die zwischen festen Oberflächen oder Luft eingeschlossen sind. „Wir erforschen die Wechselwirkungen in solchen Filmen mit bestimmten Zusätzen wie Molekülen oder Partikel, was ein Beispiel dafür ist, dass unsere Forschung interdisziplinär auf der Grenze zwischen Physik und Chemie angesiedelt ist“, sagt von Klitzing. Ein Ziel ist zu verstehen, was dünne Filme stabilisiert. Wichtig ist dieses Wissen für die Kosmetik-, Pharma- oder Lebensmittelindustrie, die oft Schäume, Emulsionen oder Suspensionen nutzt. Emulsionen sind ein Gemisch von zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten, bestehend aus feinen Tröpfchen einer der beiden Komponenten in der anderen, zum Beispiel Fetttröpfchen in Wasser. Bei Suspensionen schweben feste Partikel in einer Flüssigkeit. Schäume bilden sich durch Gasbläschen in einer Flüssigkeit. In allen drei Fällen trennen dünne Flüssigkeitsfilme die Partikel, Blasen oder Tropfen.

Die Teilchen, Tropfen oder Blasen tendieren dazu, sich zu verbinden, um die Energie des Systems zu minimieren. Bei bestimmten Emulsionen oder Schäumen verhindert dies der so genannte Pickering-Effekt: Wenn sich Partikel an die Oberfläche der Blasen oder Tropfen setzen, können sich diese nicht zu einer Blase oder einem Tropfen vereinigen. „Wir versuchen, mit Hilfe von umgebungssensitiven Partikeln wie den Nanogelen die Stabilität der Schäume zu schalten“, sagt von Klitzing.

Um die mikroskopischen Eigenschaften solcher „schaltbaren“ Schäume zu studieren, verwendet das Team Neutronenstreuung. Eine neu entstehen­de Neutronenquelle im schwedischen Lund, die European Spallation Source (kurz: ESS), soll detailliertere Einblicke erlauben als bestehende. Von Klitzings Mitarbeiter Matthias Kühnhammer beteiligt sich an der Entwicklung einer neuartigen flexiblen Probenumgebung für die ESS. Mit dem besonders intensiven Neutronenstrahl dort werden sich die Proben rascher untersuchen lassen. „Unser Halter soll daher einen möglichst schnellen Probenwechsel ermöglichen“, sagt Kühnhammer. Zu diesem Zweck enthält die Vorrichtung mehrere Zylinder, die wie ein Magazin weitergeschoben werden können, um die nächste Probe zu messen. Die Darmstädter arbeiten hierzu in einem vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekt mit der Universität Bielefeld und der TU München zusammen.

Schäume stabilisieren

Die Forscher verwenden zur Stabilisierung von Schäumen nicht nur Partikel. Sie bringen etwa Tenside an die Grenzfläche zwischen Flüssigkeiten, also längliche Moleküle, deren Enden sich jeweils in der einen oder anderen Flüssigkeit aufhalten. Beigemischte Polymere ziehen die Tenside enger zusammen, wodurch ihre Wirkung verstärkt und somit der Flüssigkeitsfilm stabilisiert wird. Ein weiterer Stabilisator beruht auf dem physikalischen Gesetz von der maximalen Entropie. Dies verlangt, dass Systeme einem ungeordneten Zustand zustreben, also gewissermaßen nach Bewegungsfreiheit suchen. An den Oberflächen von Partikel befestigte fadenförmige Polymere würden darin eingeschränkt, wenn sie sich zu nahe kommen. Um die Entropie­zu maximieren, halten sie daher Abstand: Der Film zwischen ihnen bleibt stabil.

Um solche und andere Mechanismen zu verstehen, untersuchen die Forscher ihre Schäume und Gele mit verschiedenen Messmethoden, etwa Rasterkraftmikroskopie oder Neutronenstreuung. Im Blick haben sie deren mechanische Eigenschaften, ihre elektrische Ladung oder ihre Reaktion auf Druck.

Und wer weiß: Vielleicht wird der Barista in zehn Jahren fragen, wie stabil und fein man den Cappuccino-Schaum auf einer Skala von eins bis zehn wünscht – und seine Kaffeemaschine entsprechend einstellen.

Hintergrund

Das Projekt „Flexiprob“, innerhalb desssen Regine von Klitzings Team Schäume und Nanogele untersucht, ist Teil des BMBF-Förderprogramms: „Erforschung kondensierter Materie mit Großgeräten 2016-2019“. Die Darmstädter entwickeln darin eine flexible Probenumgebung in Kooperation mit der Universität Bielefeld (Prof. Thomas Hellweg) und der TU München (Prof. Peter Müller-Buschbaum).

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