05.12.2023

Tröpfchen in Emulsionen kontrollieren

Physiker können die Stabilität von Öltröpfchen in Emulsionen gezielt steuern.

Gemeinsam mit Forschenden aus Göteborg, Edinburgh, Zürich und Osaka entwickelten Physiker der Heinrich-Heine-Univer­sität Düsseldorf ein Konzept, um die Stabilität von Öltröpfchen in Emulsionen gezielt zu steuern. Dabei setzen sie Mikrogelpartikel ein, die bei Raum­temperatur eine Öl-in-Wasser-Emulsion stabilisieren, aber das eingekapselte Öl freisetzen, wenn es erhitzt wird. Die neue Arbeit umfasst eine systema­tische Studie zum funda­mentalen Mechanismus dieser kontrollierten Stabilisierung und gezielten Aufbrechen von Emulsions­tröpfchen.

Abb.: Kryogene REM-Aufnahme eines Öltropfens, stabilisiert durch...
Abb.: Kryogene REM-Aufnahme eines Öltropfens, stabilisiert durch temperaturresponsive Mikrogele in Wasser.
Quelle: M. Rey, U. Göteborg

Öl und Wasser sind von Natur aus nicht mischbar. Eine Möglichkeit, dennoch eine Kombination zwischen ihnen herzustellen, sind Emulsionen. Sie setzen sich aus zahlreichen winzigen Tröpfchen zusammen, die fein in einer Flüssigkeit verteilt sind. Emulsionen sind überall anzutreffen. In vielen techno­logischen Anwendungen wie Medikamenten ist es entscheidend, die Tröpfchen­struktur nicht nur langfristig stabil zu halten, sondern auch gezielt aufzubrechen, um die eingekapselten Wirkstoffe freizusetzen.

Die Idee des internationalen Forschungsteams bestand nun darin, Emulsionen mit speziellen temperatur­responsiven Mikrogel­partikel zu stabilisieren, welche ihre Form der Umgebungstemperatur anpassen. Bei Raumtemperatur sind sie durch Wasseraufnahme geschwollen, über 32 Grad Celsius schrumpfen sie jedoch und ziehen sich zusammen. So können Emulsionen hergestellt werden, die bei Raumtemperatur über lange Zeit stabil sind, beim Erhitzen über 32 Grad Celsius jedoch aufbrechen. „Die Stabilität der Emulsion wird durch die Wechsel­wirkungen zwischen den einzelnen Tröpfchen bestimmt. Sie kann somit über die Eigenschaften und Form der stabilisierenden Mikrogele gesteuert werden“, sagt Marcel Rey von der Universität Göteborg. 

Die Stabilität und das gezielte Aufbrechen der Emulsionen hängt von den Eigenschaften der stabi­lisierenden Mikrogele ab. Ein Mikrogel besitzt dabei sowohl Eigenschaften von Partikeln und von Polymeren, was sich für diese Arbeit besonders wichtig ist: Der Partikel­charakter führt zu einer hohen Stabilität der Emulsion, während der polymere Charakter das responsive Verhalten und das Aufbrechen der Emulsion ermöglicht. Damit sich die Emulsionen temperatur­responsiv verhalten, ist daher ein Kompromiss erforderlich, der einen minimalen Partikelcharakter für die Stabilität und einen hohen polymeren Charakter für ein schnelles und zuver­lässiges Aufbrechen der Emulsionen berücksichtigt. In diesem Zusammenhang sind schwach vernetzte Mikrogele ideale Stabilisatoren für responsive Emulsionen.

„Die Morphologie dieser Oberflächen­strukturen ist der Schlüssel zum Verständnis der Tröpfchen­stabilität. Die Responsivität der verwendeten Mikrogel­partikel erlaubt eine weitgehende Kontrollmöglichkeit durch externe Einflüsse wie Fremdionen­konzentration und Temperatur“, erklärt Hartmut Löwen vom Institut für Theoretische Physik II der HHU. Der Düsseldorfer Beitrag in dieser Kollaboration bestand in einer Simulation. Im Computer wurden zwei benachbarte Tröpfchen samt ihrer stabi­lisierenden Mikrogelpartikel modelliert und dann die mittlere Kraft zwischen den Tröpfchenoberflächen berechnet. Ist diese Kraft abstoßend, sind die Tröpfchen stabil. Ist sie dagegen anziehend, sind sie instabil. 

Teilt ein Mikrogel­partikel seine Polymerarme auf beide Oberflächen benach­barter Tröpfchen auf, dann führt dies zur Anziehung und damit zur Insta­bilität. Durchdringen sich die Polymerarme von benachbarten Tröpfchen nicht, dann ist die Kraft repulsiv. Die Stabilität der Tröpfchen kann also durch die Bedeckungs­dichte gesteuert werden. Dieses Prinzip wurde quantitativ untermauert und auch anschaulich visualisiert. Die Anwendung der vorgestellten Idee kann zukünftig helfen, gezielt responsive Emulsionen herzustellen, deren Stabilität von außen gesteuert werden kann.

HHU / JOL

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