18.07.2023

Mikrogele offenbaren ihre Geheimnisse

Neutronenstrahlen zeigen Mechanismus hinter der rätselhaften Schrumpfung weicher Gele.

Sie fließen durch unsere Adern, machen Wände farbig oder Milch lecker: Winzige Partikeln oder Tröpfchen, die sehr fein in einem Lösungs­mittel verteilt sind. Zusammen bilden sie ein Kolloid. Während Kolloide mit harten Partikeln – etwa Farbpigmente in einer Dispersions­farbe – physikalisch gut verstanden sind, halten Kolloide mit weichen Partikeln – etwa der rote Farbstoff Hämoglobin im Blut oder Fett­tröpfchen in Milch – eine handfeste Überraschung bereit. Ein Experiment vor 15 Jahren zeigte: Weiche Partikel aus Polymeren (Mikrogele) in einem Lösungsmittel schrumpfen schlagartig, wenn man ihre Konzentration über eine bestimmte Schwelle erhöht. Große Partikel ziehen sich dann auf die Größe ihrer kleineren Nachbarn zusammen. Das Verblüffende daran: Das geschieht auch dann, wenn die Partikel gar keinen Kontakt untereinander haben. Die Forscher rätselten: Woher weiß ein Gelpartikel, wie groß sein Nachbar ist, ohne ihn zu berühren?

 

Abb.: Boyang Zhou (links) und Urs Gasser an einer der Experimentier­stationen...
Abb.: Boyang Zhou (links) und Urs Gasser an einer der Experimentier­stationen am PSI, mit deren Hilfe sich die komplexen Unter­suchungen durch­führen lassen. (Bild: M. Fischer / PSI)

Urs Gasser ist seit zehn Jahren der wundersamen Schrumpfung von Mikrogelen in Kolloiden auf der Spur. Mit einem Forschungsteam hat er 2016 eine Arbeit veröffentlicht, die das Phänomen erklärt. In Kürze: Die Polymer­partikel bestehen in diesem Fall aus langen Kohlenstoff­ketten. Diese tragen an einem Ende eine schwache negative Ladung. Die Ketten bilden ein Knäuel, das Mikrogel. Dieses kann man sich vorstellen wie eine Art Wollknäuel mit den Eigenschaften eines Schwamms. In diesem dreidimensionalen Gewirr existieren also negative Ladungs­punkte, die positiv geladene Ionen aus der Flüssigkeit anziehen. Diese Gegenionen ordnen sich in dem Knäuel um die negativen Ladungen an und bilden an der Oberfläche des Mikrogels eine positiv geladene Wolke. Kommen sich die Mikrogele nahe, überlappen sich die Wolken. Das erhöht wiederum den Druck in der Flüssigkeit, wodurch die Mikrogel-Partikel zusammen­gedrückt werden, bis sich ein neues Gleichgewicht eingestellt hat.

Damals konnte das Forschungsteam die Wolke aus Gegenionen allerdings noch nicht experimentell belegen. Diesen Nachweis hat Gasser nun mit seinem Doktorand Boyang Zhou und Alberto Fernandez-Nieves von der Universität Barcelona erbracht – und er stützt die These von 2016 eindrucksvoll. Möglich wurde das mit den Neutronen aus der Spallations­quelle SINQ am PSI – und mit einem experimentellen Trick. Denn die Wolke der Gegenionen im Kolloid ist so verdünnt, dass sie in dem Bild der gestreuten Neutronen eigentlich nicht zu sehen ist. Die Gegenionen machen nicht mehr als ein Prozent der Masse eines Mikrogels aus.

Gasser, Zhou und Fernandez-Nieves untersuchten zwei Proben: einmal ein Kolloid ausschließlich mit Natrium-Ionen als Gegenionen, das andere Mal mit Ammonium-Ionen. Beide Ionen kommen in Mikrogelen auch natürlich vor – und sie streuen Neutronen unterschiedlich. Subtrahiert man das eine Bild vom anderen, bleiben nur die Signale der Gegen­ionen übrig. Boyang Zhou: „Dieser scheinbar einfache Lösungsweg verlangt größte Sorgfalt bei der Vorbereitung der Kolloide, um die Ionen­wolken sichtbar zu machen. Noch nie hat jemand so eine verdünnte Ionenwolke gemessen.“

Das Wissen, wie sich weiche Mikrogele in Kolloiden verhalten, ermöglicht es, diese für viele Anwendungen maßzuschneidern. Die Ölindustrie pumpt sie in unterirdische Lagerstätten, um die Viskosität in Ölquellen anzupassen und die Förderung zu erleichtern. In Kosmetika sorgen sie für die gewünschte Konsistenz von Cremes. Denkbar wären auch smarte Mikrogele, die mit Medikamenten beladen werden. Die Partikel würden zum Beispiel auf Magensäure reagieren und das Medikament durch Schrumpfen freisetzen. Oder ein Mikrogel schrumpft bei hoher Temperatur zu einem kleinen, dicht gepackten Polymerknäuel, das Licht anders als im geschwollenen Zustand reflektiert. Das ließe sich für einen Temperatur­sensor in feinen Flüssigkeits­kanälen nutzen. Andere Sensoren könnten so ausgelegt werden, dass sie Druckänderungen oder Verunreinigungen anzeigen. „Der Fantasie sind keine Grenzen gesetzt“, so Urs Gasser.

PSI / DE

 

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