Destabiliseringsprocesser i skum

Oktoberfest er en spændende kulturbegivenhed, men det er også en inspirationskilde for materialeforskere og ingeniører. Ikke selve øllet, men derimod er ølskummet en inspirationskilde.

Et godt skumstykke – generelt måler omkring 1,5 cm og indeholder en imponerende 1, 500, 000 bobler – formodes at være et tegn på kvalitet og friskhed. Ideelt set dette skumagtige hoved forbliver stabilt, men flere processer virker til at destabilisere boblerne:f.eks. væskedræning af skummet, sammensmeltning af bobler, eller at slå alle kan forårsage hurtig destabilisering. Disse er generiske problemer, der er fælles for alle typer skum, hvad enten det er i mad og drikke eller teknologisk avancerede materialer.

Uønsket ændring i teksturen

En destabiliseringsproces, hvor store bobler bliver større og mindre krymper og til sidst forsvinder, er særligt svært at stoppe. Eksperter kalder denne proces "Ostwald modning, " opkaldt efter den tyske kemiker og 1909 nobelprisvinder Wilhelm Ostwald, som først beskrev dette fænomen for over 100 år siden.

Ostwald-modning forårsager en uønsket ændring i teksturen af ​​ølskum og opskummede fødevarer, og det svækker også produktets ydeevne i mange andre situationer. At opnå skum- og emulsionsstabilitet udgør således en udfordring på tværs af en bred vifte af materialevidenskabelige applikationer, fra personlig plejeprodukter til avancerede funktionelle materialer. "Skum – uanset om ølskum, is eller skum til isolering – har tendens til at blive groft, fordi deres bobler smelter sammen eller modnes, " forklarer Jan Vermant, Professor i bløde materialer ved ETH Zürich.

Overfladeaktive komponenter, såsom visse proteiner i ølskum, kan typisk forhindre eller i det mindste bremse modningen ved at sænke overfladespændingen, i hvert fald på kort sigt. Men disse komponenter kan ikke sikre den langsigtede stabilitet af skummet, da de kun bremser modningsprocessen, men kan ikke stoppe det, når det først er begyndt.

Vermant og hans gruppe har nu taget en ny tilgang til dette skumstabilitetsproblem og har for nylig offentliggjort det i tidsskriftet PNAS .

"For første gang, det er lykkedes os kvantitativt at kontrollere opløsningsstandsningen af ​​skumbobler og formulere nye, alligevel universelt gyldige strategier. Disse vil hjælpe fødevare- og materialeindustrien med at udvikle kontrollerede og mere effektive stabilisatorer for at forhindre eller stoppe Ostwald-modning, " siger Vermant.

Netværk af partikler stabiliserer bobler

I deres undersøgelse, ETH-materialeforskerne viste, hvordan bestemte partikler fungerer som en stabilisator og beskytter små bobler mod krympning. Til testformål, forskerne brugte mikrometerstore latexpartikler og partikler formet som riskorn. Disse partikler blev valgt til at danne en uregelmæssig netværksstruktur ved boblegrænsefladen.

Forskerne testede, om dette netværk i tilstrækkelig grad understøtter boblerne i et særligt mikrofluidisk arrangement. De var i stand til at belægge individuelle bobler med en kontrolleret mængde af partikelstabilisatoren og derefter udsætte dem gradvist for skiftende trykforhold i et minitrykkammer, og simulerer således Ostwald-modning.

"Dette gjorde det muligt for os at bestemme præcist det tryk, hvorved boblen begynder at skrumpe og til sidst kollapser, " siger Peter Beltramo, en postdoc i Vermants gruppe. Dette særlige eksperimentelle design tillod dem at variere antallet og arten af ​​partikler, der dækker boblen. Dermed, de kunne relatere antallet af partikler til overfladens rheologiske egenskaber. En overfladeflydespænding blev identificeret som den primære parameter, der skal kontrolleres.

De fandt ud af, at selv delvist dækkede bobler kan være lige så stabile som dem, der er fuldstændigt dækket af partikler. Som resultat, den nødvendige mængde stabilisator kan forudsiges nøjagtigt. "Vores resultater vil spare en masse materialer og dermed reducere omkostningerne, " understreger Beltramo. Desuden forskerne fandt ud af, at en belagt boble kan modstå et meget højere tryk end en ubelagt.

Universelt gyldig

Resultaterne om grænseflademekanikkens rolle er universelt gyldige for alle materialer med store overflader eller til anvendelser, hvor overflader spiller en vigtig rolle, siger Vermant. For eksempel, de udviklede ideer og måleteknikker anvendes på andre tilfælde af tyndfilmstabilitet, for eksempel i biomedicinske applikationer, såsom filmene, der forer alveolerne i lungerne, eller tårefilmene på øjnene. "Disse film er meget stabile, hvor stabiliteten bibringes af lignende mekanismer – udviklet af naturen, " siger Vermant.

Selvom resultaterne er generelle, de er også til særlig gavn for fødevareindustrien. Forskerne kan nu søge efter spiselige stabilisatorer til at lave skummende fødevarer, såsom is eller endda brøddej, hold længere. "Vi giver fødevareindustrien og andre virksomheder udviklingsvejledninger og kvantificeringsværktøjer, som de kan bruge til at udvikle nye produkter, " siger Vermant. Og is var faktisk med til at starte denne forskning, som var medfinansieret af Nestlé. Endnu, hvad der er godt for ølskum eller is kan også være godt til at gøre beton bedre. Inkorporerer små, stabile bobler gør det bedre modstå tø-frys cyklusser og gør det lettere. Eller hvordan tanker om øl kan styre udformningen af ​​nye materialer. Skål!