Verhüllte Wassertropfen
Wie extrem dünne Kunststofffolien kleine Tropfen umschließen.
Zwei Flüssigkeiten verlässlich voneinander zu trennen ist oftmals bei Medikamenten oder auch bei chemischen Reaktionen notwendig. Mit magenlöslichen Mikrokapseln etwa lässt sich ein allzu bitterer, flüssiger Wirkstoff umhüllen, um nicht von den Geschmacksrezeptoren im Mund wahrgenommen zu werden. Extrem filigrane Hüllen für Flüssigkeiten entwickelten nun Forscher aus den USA: Sie umhüllten Wassertropfen mit nur wenige Dutzend Nanometer dicken Folien aus Polystyrol.
Abb.: Wassertropfen beim Umhüllen von einer hauchdünnen Polystyrolfolie: Mit schrumpfenden Volumen legt sich die Folie selbstständig um den Tropfen herum. (Bild: J. D. Paulsen, U Massachusetts)
„Die Hülle formte eine dreidimensionale Struktur, mit der das Volumen des Inhalts maximiert werden konnte“, sagt Joseph Paulsen von der University of Massachusetts. Bei ihren Versuchen beobachteten Paulsen und seine Kollegen polygone Strukturen, die beispielsweise an ein aufgeblasenes Dreieck erinnerten. Doch auch Hüllen in der Form einer zusammengeklappten Calzone-Pizza waren möglich.
Für ihre Experimente fertigten die Forscher zunächst hauchdünne Folien aus Polystyrol, indem sie eine Polymerlösung über ein Spin-Coating-Verfahren auf einer Unterlage gleichmäßig verteilten. Über die Menge der aufgetragenen Polymerlösung und die Rotationsgeschwindigkeit der Beschichtungsanlage ließen sich Folien mit Dicken zwischen 29 und knapp 400 Nanometer herstellen. Aus diesen Folien schnitten sie kreisförmige Hüllen mit einem Radius von anderthalb Millimeter aus.
Abb.: Zur Maximierung des Volumens entsteht keine Kugel, sondern eine Hülle in Form einer zusammen geklappten Calzone-Pizza. (Bild: J. D. Paulsen, U Massachusetts)
Diese Polystyrol-Filme legten die Forscher auf Wassertropfen, die sie zuvor auf einer hydrophoben Unterlage aus Silikonöl deponiert hatten. Zuerst schmiegten sich die Folien selbstständig über die obere Tropfenhälfte. Mit einer Spritze zogen die Wissenschaftler dann Wasser aus den Tropfen ab und verringerten so nach und nach deren Volumen. Parallel umhüllte die Polystyrol-Folie die Tropfen immer mehr bis diese schließlich komplett umschlossen war.
Verformbarkeit und Adhäsionskräfte bestimmten die beim Verhüllen entstehenden Strukturen. Die Polystyrol-Folien bildeten bevorzugt Tropfenhüllen mit drei Ecken, doch auch eine Calzone-Struktur mit zwei Ecken war möglich. Die Dicke der Folie spielte bei diesem selbstständig ablaufenden Vorgang keine ersichtliche Rolle. Um das zu verstehen, simulierten Paulsen und Kollegen den Vorgang mit einem Computer. Ihr theoretisches Modell zeigt, dass das dimensionslose Verhältnis von Folien- zu Tropfenradius die Form der Hülle bei größtmöglichem Volumen bestimmt. Je größer der Tropfen, desto eher bildet sich die Calzone-Form und nicht das dreieckige Polygon aus.
Eine direkte Anwendung hat dieses Grundlagenexperiment nicht. Doch es zeigt, mit welcher Hüllenform beim Verkapseln von Flüssigkeiten zu rechnen ist. „Das Verpacken von Flüssigkeiten in elastische Hüllen könnte in Fällen sinnvoll sein, bei denen eine flüssige Fracht vor der direkten Umgebung geschützt werden muss“, sagt Paulsen.
Jan Oliver Löfken
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RK
