Figaro: Oder das Rätsel um Shampoo-Rezepturen

  • Abb. 1: Das Gelände des ILLAbb. 1: Das Gelände des ILL
  • Abb. 1: Das Gelände des ILL
  • Abb. 2: Richard Campell am Figaro

Ein Neutronenreflektometer hat entscheidend dazu beigetragen, eine Anomalie bei der Oberflächenspannung bei Shampoos, Farben und Reinigungsmitteln, aufzuklären. Grund genug, einmal genauer nachzusehen, wie Wissenschaftler einer verbesserten, wirtschaftlicher zu erzeugenden Tensidstruktur auf die Spur gekommen sind.

Es gibt zahlreiche Phänomene in der Physik, die sich Wissenschaftler trotz intensiver Forschung nicht erklären können. Da ist zum Beispiel die Hochtemperatur-Supraleitung oder der Glasübergang. Oder auch die Anomalie in der Oberflächenspannung eines Polyelektrolyt/Tensid-Gemisches wie es bei Shampoos, Farben oder auch Reinigungsmitteln Verwendung findet. Diese Anomalie beeinträchtigt deren kommerzielle Herstellung und Leistungsfähigkeit, macht sie teurer und deren Produktion komplexer. Hier haben Wissenschaftler mithilfe von Neutronenstrahlung des Rätsels Lösung gefunden.

Tenside

Worum geht es? Dreh- und Angelpunkt ist ein Phänomen bei Tensiden, das vor einem Jahrzehnt erstmals genauer untersucht worden ist. Tenside können bekanntlich die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit verringern und andere Substanzen wie Öl oder Fett in Reinigungsmitteln binden. Oberflächenspannung ist eine Eigenschaft von Flüssigkeiten, die aus der Bindekraft ihrer Moleküle resultiert. Mit ihrer Hilfe können sie einer äußeren Kraft widerstehen. Sie bestimmt die Form von Flüssigkeitstropfen und ist der Grund, warum Insekten auf der Oberfläche von Teichen laufen können. Tenside sind häufig mit wasserlöslichen Verbindungen mit großer Kettenlänge, den Polyelektrolyten kombiniert, die aus langen, geladenen Molekülen bestehen, um die Wirksamkeit von Reinigungs-, Benetzungs- und Schäummitteln, Emulgatoren und Dispersionsmitteln in Farben, Shampoos und Haarspülungen zu verbessern. Gibt man ein Tensid in eine Polyelektrolytlösung, vermindert sich die Oberflächenspannung anfangs, bei weiterer Zugabe von Tensid nimmt die Oberflächenspannung aber wieder drastisch zu. Diese „cliff edge peak" (Felskantenspitze, benannt nach der Form der Abhängigkeit der Oberflächenspannung von der Tensidkonzentration) genannte Eigenschaft geht einher mit einer Änderung im Erscheinungsbild des Gemischs sowie dem möglichen Verlust der Flockigkeit, die auftritt, wenn die Materialien erstmals in Wechselwirkung treten.

Oberflächenspannung

Der Anstieg der Oberflächenspannung vermindert die Leistungsfähigkeit der Produkte und erfordert oftmals die Zugabe weiterer Netzmittel, was mit zusätzlichen Kosten verbunden ist.

Schon länger besteht daher ein großes Interesse daran, die Wechselwirkungen zwischen diesen Gemischen auf atomarer Ebene zu verstehen, sowohl in Lösungen als auch an Oberflächen. Von besonderem Interesse sind die primären Ursachen für den „cliff edge peak" und Wege, seine Auswirkungen zu verhindern, zu vermindern oder zu verzögern.

Bisherige Forschungsarbeiten hakten aber daran, dass sie die mikroskopische Anordnung der Tenside nicht so tiefschürfend analysieren konnten. Untersuchungen mit Röntgenstrahlung beispielsweise scheitern daran, die Bewegung der Tenside auf der Oberfläche nachzuvollziehen, da für Röntgenstrahlung die Tensidmoleküle an der Wasseroberfläche praktisch transparent erscheinen. Lichtstreuung hingegen verfügt nicht über die nötige Auflösung im nm-Bereich, um die mikroskopische Organisation der Tensidmoleküle zu erfassen.

Neutronenreflektometrie findet des Pudels Kern

Ein Verfahren, das Kontraste sichtbar machen und so die Veränderung der Tensidanordnung auf mikroskopischer Ebene erklären kann, ist die Neutronenstreuung, bei der durch Isotopentausch gezielt Kontraste hergestellt und Teilchen isoliert werden können.

Das europaweit größte Zentrum für Neutronenforschung befindet sich am Institut Laue-Langevin (ILL) in den französischen Alpen. Diese Technologie kann die Beschaffenheit von Stoffen, die Leitfähigkeit von Metallen oder auch Struktureigenschaften unterschiedlicher Materialien erforschen. Die Neutronen werden im Forschungsreaktor erzeugt und anschließend auf eine Wellenlänge von 0,2 bis 3 nm gebracht. Der Neutronenstrahl verhält sich wie Licht, obwohl es sich um Teilchen handelt, und wird über ein spezielles Schlitz- und Spiegelsystem geformt und zu den Messinstrumenten gelenkt.

In dem Gerät werden Neutronen reflektiert und zur Messung der Zusammensetzung und Struktur dünner Filme genutzt. Die Reflexion des Strahls hängt von Oberflächenbeschaffenheit der zu untersuchenden Flüssigkeit ab. Unterschiedliche Reflexionsgrade lassen dann wieder Rückschlüsse auf die Strukturveränderungen zu.

Es konnte beobachtet werden, wie sich die Oberflächeneigenschaften bei der langsamen Entstehung des „cliff edge peak" veränderten. Dabei wurde das neue Glanzwinkelreflektometer für Flüssigkeitsgrenzflächen (Fluid Interfaces Grazing Angles ReflectOmeter) oder kurz „Figaro" genutzt.

Eine Besonderheit dieses Reflektometers ist die horizontale Lage der zu untersuchenden Probe. Der Neutronenstrahl wird dabei unter einem bestimmten Winkel auf die Probe gelenkt, sodass freie Flüssigkeitsoberflächen gemessen werden können. Das Komplizierte ist die technische Umsetzung: Der Neutronenstrahl muss geneigt werden, damit er auf die horizontale Fläche trifft. Die meisten anderen Reflektometer haben eine vertikale Probenorientierung, was die Messungen von freien Flüssigkeitsoberflächen unmöglich macht. Mit diesem Verfahren zeigten die Wissenschaftler erstmals quantitativ, dass diese bemerkenswerte Eigenschaft der Oberflächenspannung von der langsamen Ausfällung von Teilchen aus der wässrigen Lösung ins Sediment herrührt. Die Ausflockung „entleert" die Lösung und infolgedessen die Oberfläche seiner aktiven Bestandteile und ist gleichzeitig auch für den beobachteten Verlust der Benetzbarkeit verantwortlich. Mit diesem Wissen werden Shampoos zukünftig mit einer verbesserten Rezeptur hergestellt werden können, was zu weniger Umweltbelastungen und Kostenreduktionen führen dürfte.

Zukunftsmusik

Nicht nur Shampoo-Rezepturen, sondern auch Arzneimittel können schon bald am Figaro untersucht und verbessert werden: Viele Arzneimittel sind weder wasser- noch alkohollöslich. Daher benötigt man derzeit einen Trägerstoff. Zukünftig möchte man herausfinden, wie sich die Arzneimittel im Wasser verhalten. Ein anderer Bereich ist die Umweltforschung. Es gibt derzeit Überlegungen am ILL, eine Zelle zu bauen, die die Atmosphäre mit Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Partikelkonzentration in der Luft simuliert. Wie sich Aerosole, wie etwa Staub und Feinstaub, auswirken, ließe sich anhand des Einflusses dieser Partikel auf der Wasseroberfläche untersuchen. So könnte bald geklärt werden, wie Feinstaub unser Wetter beeinflusst und die Kondensation von Wasser verändert.

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Institut Laue-Langevin
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38042 Grenoble Cedex 9
Frankreich
Telefon: 0033/476207003
Telefax: 0033/476203906

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