Universell stabilisiert

Forscher um Lucio Isa, Professor für Grenzflächen am Departement Materialwissenschaft der ETH Zürich, haben Siliziumpartikel zur neuartigen Stabilisierung von Emulsionen geschaffen. Eine Emulsion ist ein fein verteiltes Gemisch zweier im Grunde genommen nicht mischbarer Flüssigkeiten.

Das Gemisch besteht aus Tröpfchen der einen Flüssigkeit, die in der anderen dispersiert sind. Salatsauce aus Öl und Essig (eigentlich Wasser) ist ein alltägliches Beispiel dafür: Ihre Bestandteile Essig und Öl mischen sich nicht von alleine. Erst durch kräftiges Rühren mit einem Schwingbesen entsteht ein gleichförmiges Gemisch. Lässt man dieses stehen, verschmelzen die fein verteilten Essigtröpfchen und die Flüssigkeiten trennen sich vollständig auf.

Verschiedene Emulgatoren nötig

Es ist daher nötig, Emulsionen zu stabilisieren. Dazu wird eine grosse Zahl verschiedener Emulgatoren wie zum Beispiel Tenside, Proteine oder Polymere eingesetzt. Schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts zeigten die britischen Chemiker W. Ramsden und S.U. Pickering auf, dass Emulsionen zudem auch mit feinsten Festkörperpartikeln, beispielsweise solchen aus kugelförmigen Silikatpartikeln (SiO₂), stabilisiert werden können.

Dabei bewegen sich die Partikel spontan in die Grenzschicht zwischen den zwei Flüssigkeiten und lagern sich dort an. Dadurch bilden sie eine Art Panzer um die Tröpfchen und verhindern deren Verschmelzung - die Emulsion bleibt für lange Zeit stabil. Allerdings brauchte es bis anhin zwei Typen von Partikeln: solche mit wasserliebenden (hydrophilen) Oberflächen, die mehrheitlich im Wasser sitzen und nur Öl-in-Wasser-Emulsionen stabilisieren, und solche mit hydrophoben Oberflächen, welche grösstenteils in Öl sitzen. Sie stabilisieren demzufolge nur Wasser-in-Öl-Gemische.

Ein Emulgator genügt

Damit könnte nun Schluss sein: Die ETH-Forscher um Isa haben die Oberfläche solcher Silikatkügelchen von eins bis sechs Mikrometer Durchmesser mit Silikat-Nanopartikeln von viel geringerem Durchmesser bestückt, um sie aufzurauen. Dadurch erhalten die winzigen Kügelchen die Form von Himbeeren. Michele Zanini, Doktorand bei Isa, konnte die Rauheit der Oberfläche kontrolliert verändern und erstellte eine ganze Sammlung solcher Partikel.

In einer Studie, die soeben in Nature Communications erschienen ist, zeigen die Forscher nun auf, dass sie mit nur einer Sorte von solchen Himbeer-Partikeln beide Typen von Emulsionen stabilisieren können. Abhängig ist dies einzig davon, in welche Flüssigkeit sie die Partikel vor der Emulgierung einbringen. Geben die Forscher die Partikel in die Ölphase, entsteht eine Wasser-in-Öl-Emulsion. Umgekehrt können sie eine Öl-in-Wasser-Emulsion (fein verteilte Öltröpfchen in Wasser) stabilisieren, wenn sie ihre neuen Partikel zuvor in Wasser lösen. «Diese neuen Partikel sind dadurch universell einsetzbar, um Emulsionen herzustellen», sagt Lucio Isa.

Raue Partikel wandern weniger weit

Zu tun habe dies damit, dass die raue Oberfläche die Beweglichkeit der Partikel durch die Tröpfchenoberfläche verringere. «Sie stossen zwar an die Oberfläche zwischen den Flüssigkeiten vor, können sich aber weniger weit in diese hineinbewegen als vergleichbare Silikatpartikel mit glatter Oberfläche – die rauen Partikel bleiben stecken, ehe sie die für sie energetisch günstigste Position an der Grenzfläche einnehmen können», betont der ETH-Professor.

Mit ihren Himbeer-Partikeln haben Isa und seine Mitarbeiter eine erste Grundlage für weitere Forschung auf diesem Gebiet geschaffen. Ihr neues Verfahren zur Entwicklung der Partikel als Emulgatoren haben die ETH-Forscher bereits patentieren lassen.

Neue Anwendungen

Mögliche Anwendungen für diese Teilchen gibt es viele, nämlich überall dort, wo Emulsionen stabilisiert werden müssen, wie zum Beispiel in der chemischen Industrie. Obwohl sich Isa und seine Mitarbeiter auf Modellsysteme konzentrierten, können ihre im Labor entdeckten Prinzipien auf natürliche, raue Partikel als Emulgatoren ausgeweitet werden. Dadurch sind neue Anwendungen denkbar, etwa in der Lebensmittelbranche, in der Kosmetik oder der Pharmaindustrie. Dafür braucht es allerdings weitere Forschung.