Die Doktorandin Ingrid Guha hält ein Glas mit einer klaren Flüssigkeit, die mit bloßem Auge wie Wasser aussieht, aber eigentlich eine Emulsion aus Öl und Wasser im Nanobereich ist.

Bild: MIT

Mischen von Öl und Wasser Die perfekte Emulsion

21.11.2017

Forschern des Massachussets Institute of Technology ist es gelungen, eine Mischung aus Öl und Wasser zu erzeugen, die auch ohne Schütteln langfristig stabil bleibt. Das Verfahren kann unter anderem in Pharmazeutika, Kosmetika und verarbeiteten Lebensmitteln Anwendung finden.

Jeder, der schon einmal ein Salatdressing zubereitet hat, weiß dass sich Öl und Essig ohne Emulgatoren nach wenigen Minuten wieder trennen werden - egal wie heftig die Mischung geschüttelt wird. Aber für viele Anwendungen, einschließlich neuer Drug-Delivery-Systeme und Lebensmittelverarbeitungsmethoden, ist es wichtig, Öl in Wasser (oder Wasser in Öl) zu bekommen, um winzige Tröpfchen zu bilden - nur ein paar hundert Nanometer breit, zu klein, um mit dem bloßen Auge zu sehen - und sie winzig bleiben zu lassen, anstatt sich zu größeren Tröpfchen zusammenzuschließen und sich schließlich von der anderen Flüssigkeit zu trennen.

Typischerweise werden diese Emulsionen in industriellen Prozessen entweder durch mechanisches Schütteln der Mischung oder durch die Verwendung von Schallwellen hergestellt, um intensive Vibrationen in der Flüssigkeit zu erzeugen, ein Prozess, der als Beschallung bezeichnet wird. Aber beide Prozesse "erfordern viel Energie", sagt die außerordentliche Professorin Krispa Varanasi, "und je feiner die Tropfen, desto mehr Energie braucht es", "im Gegensatz dazu ist unser Ansatz sehr energieeffizient", fügt er hinzu.

Bei dem neuen Verfahren wird ein Ölbad, das eine geringe Menge eines Tensids (seifenähnliche Substanz) enthält, gekühlt und anschließend Wasserdampf aus der Umgebungsluft auf die Öloberfläche kondensiert. Experimente haben gezeigt, dass dadurch winzige, gleichmäßige Wassertropfen auf der Oberfläche entstehen können, die dann in das Öl eindringen und deren Größe durch Anpassung des Tensidanteils gesteuert werden kann. Vorgestellt wurden die neuen Erkenntnisse im wissenschaftlichen Journal „nature communications“.

Das Team richtete ein Ölreservoir mit einem Tensidzusatz ein, das sowohl an Öl- als auch an Wassermoleküle binden kann. Sie legten diese in eine Kammer mit sehr feuchter Luft und kühlten dann das Öl ab. Wie ein Glas kaltes Wasser an einem heißen Sommertag, bewirkt die kältere Oberfläche, dass sich der Wasserdampf niederschlägt. Das kondensierende Wasser bildet dann Tröpfchen an der Oberfläche, die sich durch das Öl-Tensid-Gemisch ausbreiten, und die Größen dieser Tröpfchen sind ziemlich einheitlich, fand das Team. Wenn man die Chemie stimmt, kann man genau die richtige Dispersion bekommen", sagt Doktorandin Guha. Durch die Einstellung des Tensidanteils im Öl lassen sich die Tropfengrößen gut steuern. In den Experimenten produzierte das Team nanoskalige Emulsionen, die über mehrere Monate stabil blieben, im Vergleich zu den wenigen Minuten, die es dauert, bis sich dieselbe Mischung aus Öl und Wasser ohne das zugegebene Tensid trennt. „Die Tröpfchen bleiben so klein, dass sie selbst unter dem Mikroskop kaum zu sehen sind", sagt Guha.

Im Gegensatz zu den Schüttel- oder Ultraschallverfahren, bei denen die großen, getrennten Öl- und Wassermassen allmählich in kleinere Tropfen zerlegt werden - ein "Top-Down"-Ansatz -, beginnt die Kondensationsmethode sofort mit der Kondensation der winzigen Tröpfchen aus dem Dampf, die die Forscher als Bottom-Up-Ansatz bezeichnen. Indem wir die frisch kondensierten nanoskaligen Wassertröpfchen mit Öl umhüllen, nutzen wir die inhärente Natur der Phasenwechsel- und Ausbreitungsphänomene", sagt Varanasi.

"Lebensmittel und Pharmazeutika haben immer ein Verfallsdatum", erklärt Varanasi und das hat oft mit der Instabilität der Emulsionen in ihnen zu tun. Die Experimente verwendeten ein bestimmtes Tensid, das weit verbreitet ist, aber viele andere Sorten sind verfügbar, darunter auch einige, die für Lebensmittel zugelassen sind. Und neben der Verwendung in Nahrungsmitteln, Kosmetika und Medikamenten könnte die Methode auch andere Anwendungen haben, wie z.B. in der Öl- und Gasindustrie, wo Flüssigkeiten wie die Bohrschlämme, die in die Bohrlöcher geschickt werden, ebenfalls Emulsionen sind, sagt Varanasi.

Originalquelle: http://news.mit.edu/2017/new-way-mix-oil-and-water-1108

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