Il sogno di una schiuma

"O'zapft is!": gli abitanti di Monaco hanno appena inaugurato l'Oktoberfest al Wiesn. E la birra scorre a fiumi. Tuttavia, il succo d'orzo non solo crea un delirio collettivo, ma delizia anche gli scienziati dei materiali con la sua magnifica schiuma.

Una buona schiuma di birra è un segno della qualità e della freschezza di una birra. Una testa tipica ha uno spessore di 1,5 centimetri ed è composta da 1,5 milioni di bollicine. Idealmente, rimane stabile, ma di solito le bolle si fondono presto o scoppiano e la schiuma collassa. Questo comportamento è tipico di tutti i tipi di schiuma, che si tratti di alimenti o di moderni materiali industriali.

Uno di questi processi, che rende instabile la schiuma, è particolarmente difficile da arrestare. Gli esperti chiamano questo processo "maturazione di Ostwald", che il chimico tedesco e premio Nobel 1909 Wilhelm Ostwald ha descritto oltre 100 anni fa. Durante questo processo, le bolle grandi diventano ancora più grandi e quelle piccole si restringono e scompaiono.

Arresto della disintegrazione della schiuma

La maturazione di Ostwald modifica in modo indesiderato la consistenza della schiuma di birra e di altri prodotti alimentari e di consumo espansi, indebolendo la qualità del prodotto. La stabilizzazione delle schiume (e delle emulsioni) è quindi una sfida in un'ampia gamma di applicazioni, dai prodotti per la cura della persona ai moderni materiali funzionali.

Tuttavia, gli stabilizzatori di superficie, come alcune proteine presenti nella birra, possono rallentare la maturazione della schiuma riducendo la tensione superficiale. Tuttavia, gli stabilizzatori non possono impedire la maturazione di Ostwald. Una volta iniziata, non è più possibile fermarla.

Jan Vermant, professore di materiali morbidi all'ETH di Zurigo, e il suo gruppo hanno ora sviluppato una nuova base scientifica per questo problema della schiuma. Ne hanno dato notizia di recente sulla rivista scientifica PNAS. Per la prima volta, gli scienziati sono riusciti a quantificare la stabilizzazione delle bolle di schiuma e a formulare principi generalmente applicabili. "Questi principi aiuteranno l'industria alimentare e dei materiali a sviluppare stabilizzatori mirati che prevengono o addirittura bloccano la maturazione di Ostwald", afferma Vermant.

Una rete di particelle stabilizza una bolla

Nel loro studio, i ricercatori dell'ETH sui materiali mostrano come alcune particelle agiscano come stabilizzatori di schiuma e proteggano le piccole bolle dal restringimento. Per i test, gli scienziati hanno utilizzato particelle polimeriche di dimensioni micrometriche e particelle con una forma simile a un chicco di riso. Le due diverse particelle formano una struttura a rete irregolare sulla superficie delle bolle.

In uno speciale set-up microfluidico, i ricercatori hanno testato se questa rete fornisse un supporto sufficiente per le vescicole. Hanno potuto rivestire singole bolle con una quantità controllata di questi stabilizzatori e poi esporle a condizioni di pressione gradualmente crescenti in una mini-camera a pressione. Gli scienziati hanno così simulato la maturazione di Ostwald.

"Questo ci ha permesso di determinare la pressione esatta alla quale una bolla inizia a ridursi e alla fine collassa", spiega Peter Beltramo, ricercatore post-dottorando presso Vermant. Grazie allo speciale set-up sperimentale, i ricercatori non hanno potuto analizzare solo le singole bolle. Hanno anche potuto variare il numero di particelle che circondano una vescicola e quindi mettere in relazione il numero di particelle con le proprietà meccaniche della vescicola.

È stato dimostrato che le bolle parzialmente coperte possono essere altrettanto stabili di quelle completamente ricoperte di particelle. Ciò consente di prevedere con precisione la quantità di stabilizzante necessaria. "Grazie ai nostri risultati, è possibile risparmiare molto materiale e quindi costi", sottolinea Beltramo. I ricercatori hanno anche scoperto che una bolla rivestita può sopportare una pressione molto più elevata di una non rivestita.

Universalmente valido

Le intuizioni acquisite sono universalmente valide, al di là delle schiume, per tutti i materiali con grandi superfici o per le applicazioni in cui le superfici svolgono un ruolo importante, afferma Vermant. Tra l'altro, il principio si applica anche ai polmoni o all'occhio, che è protetto da un film lacrimale. "Questi film sottili sono molto stabili - sviluppati dalla natura", afferma Vermant.

I risultati potrebbero essere utili anche per l'industria. Gli scienziati potrebbero ora ricercare stabilizzatori che rendano più duraturi gli alimenti schiumosi come il gelato, l'impasto del pane o persino la schiuma della birra. "Stiamo fornendo all'industria alimentare linee guida per lo sviluppo e strumenti di quantificazione da utilizzare per lo sviluppo di nuovi prodotti", spiega l'ETH. E ciò che è giusto per la schiuma della birra o per il gelato è conveniente per il calcestruzzo. Le bolle piccole e stabili nel calcestruzzo lo rendono più resistente ai cicli di congelamento e scongelamento. Inoltre, lo rendono più leggero.

Le schiume alimentari hanno dato origine a questo lavoro di ricerca. Lo studio è stato cofinanziato dal produttore di gelati Nestlé. "Chi siamo a pensare al gelato e alla schiuma stabile della birra può portare a nuovi e migliori materiali - applausi!", dice Vermant.