21.10.2021

Die Arbeitsgruppe um Physik-Professorin Regine v. Klitzing hat in Kooperation mit Forschenden der TU Berlin und der University of Leeds anhand von Experimenten mit Wasser-in-Öl-Emulsionen Wege entdeckt, die hilfreich sein können für Medizin, Pharmazie und in der Chemie. Die Forschungsarbeit wurde jüngst im Journal „Soft Matter“ publiziert und auf der Titelseite der Ausgabe gewürdigt.

Emulsionen begegnen uns im Alltag beispielsweise in Form von Lebensmitteln, Reinigungsprodukten oder Kosmetika. Sie werden auch als Medien für katalytisch aktivierte Reaktionen verwendet, um später die Produkte leichter abtrennen zu können. Emulsionen bestehen aus zwei nichtmischbaren Flüssigkeiten wie zum Beispiel einer Öl- und einer Wasserphase. Um die eigentlich nicht mischbaren Flüssigkeiten doch mischen zu können, fügt man sogenannte Emulgatoren hinzu, die möglichst stabile Emulsionen bilden. In der Regel bilden sich dabei Tropfen in der zweiten Flüssigkeit aus. Als Emulgatoren können je nach Anwendung Tenside, Polymere (auch Proteine) oder auch etwa Silica-Partikel verwendet werden.

Besonders attraktiv ist es, die Emulsionen über äußere Reize (Temperatur, pH-Wert oder Licht) schalten zu können. Dafür können weiche gel-artige Partikel als Emulgatoren eingesetzt werden. Solche Mikrogele reagieren auf den äußeren Stimulus mit einem Volumenphasenübergang, der dann beispielsweise zur schlagartigen Destabilisierung der Emulsion führen kann. Allerdings sind die Mikrogele häufig stark in polaren Lösungsmitteln (wie Wasser) quellbar, sodass sich eine Emulsion mit Öltropfen in der Wasserphase, eine sogenannte Öl-in-Wasser-Emulsion, ausbildet.

Um etwa katalytische Prozesse kontinuierlich ablaufen zu lassen, ist häufig eine Wasser-in-Öl-Emulsion notwendig. Das Forschungsteam um Physik-Professorin Regine v. Klitzing und Doktorand Sebastian Stock (Arbeitsgebiet „Weiche Materie an Grenzflächen“ an der TU Darmstadt), konnte zeigen, dass die Mischung von hydrophilen, weichen stimuli-responsiven PNIPAM-Mikrogelpartikeln mit hydrophoben, harten Silica-Nanopartikeln auch für sehr unpolare Öle eine Wasser-in-Öl-Emulsion ermöglicht. Aufgrund der Modellhaftigkeit dieser Partikel konnten die Forschenden erstmalig Rückschlüsse auf deren simultanes Grenzflächenadsorptionsverhalten ziehen. Das Verständnis der Wechselwirkung multipler Stabilisatoren ermöglicht, den Emulsionstyp einzustellen bei gleichzeitiger Anpassung stimuli-sensitiver Eigenschaften. Die vorgestellte Strategie ist von Bedeutung für Branchen wie Pharmazie und Chemie, in denen Herstellungstechnologien und Anwendung von Emulsionen eine große Rolle spielen.