Oktoberfest är ett spännande kulturevenemang, men det är också en inspirationskälla för materialvetare och ingenjörer. Inte själva ölet, men hellre ölskummet är en inspirationskälla.

Ett bra skumhuvud - vanligtvis ca 1,5 cm stort och med imponerande 1, 500, 000 bubblor - ska vara ett tecken på kvalitet och friskhet. Helst, detta skummande huvud förblir stabilt, men flera processer verkar för att destabilisera bubblorna:till exempel flytande dränering av skummet, sammanslagning av bubblor, eller poppar allt kan orsaka snabb destabilisering. Detta är generiska problem som är vanliga för alla typer av skum, vare sig det gäller mat och dryck eller tekniskt avancerade material.

Oönskad förändring i konsistensen

En destabiliseringsprocess, i vilka stora bubblor blir större och mindre krymper och slutligen försvinner, är särskilt svårt att stoppa. Experter kallar denna process "Ostwald -mognad, "uppkallad efter tysk kemist och 1909 Nobelpristagare Wilhelm Ostwald, som först beskrev detta fenomen för över 100 år sedan.

Ostwald -mognad orsakar en oönskad förändring i konsistensen av ölskum och skummade livsmedelsprodukter, och det försvagar produktens prestanda i många andra situationer också. Att uppnå skum- och emulsionsstabilitet utgör således en utmaning för ett brett spektrum av materialvetenskapliga tillämpningar, från personligvårdsprodukter till avancerade funktionella material. "Skum - vare sig det är ölskum, glass eller skum för isolering - tenderar att grova på grund av att deras bubblor smälter samman eller mognar, "förklarar Jan Vermant, Professor för mjuka material vid ETH Zürich.

Ytaktiva komponenter, såsom vissa proteiner i ölskum, kan vanligtvis förhindra eller åtminstone bromsa mognad genom att sänka ytspänningen, åtminstone på kort sikt. Men dessa komponenter kan inte säkerställa skummets långsiktiga stabilitet, eftersom de bara bromsar mognadsprocessen, men kan inte stoppa det när det väl har börjat.

Vermant och hans grupp har nu tagit en ny inställning till detta skumstabilitetsproblem och publicerade det nyligen i tidningen PNAS .

"För första gången, vi har lyckats kvantitativt kontrollera upplösningsavbrottet av skumbubblor och formulera nya, men universellt giltiga strategier. Dessa kommer att hjälpa livsmedels- och materialindustrin att utveckla kontrollerade och effektivare stabilisatorer för att förhindra eller stoppa Ostwalds mognad, säger Vermant.

Nätverk av partiklar stabiliserar bubblor

I deras studie, ETH -materialforskarna visade hur särskilda partiklar fungerar som en stabilisator och skyddar små bubblor mot krympning. För teständamål, forskarna använde mikrometerstora latexpartiklar och partiklar formade som riskorn. Dessa partiklar valdes för att bilda en oregelbunden nätverksstruktur vid bubbelgränssnittet.

Forskarna testade om detta nätverk tillräckligt stöder bubblorna i ett speciellt mikrofluidiskt arrangemang. De kunde belägga enskilda bubblor med en kontrollerad mängd av partikelstabilisatorn och sedan utsätta dem gradvis för förändrade tryckförhållanden i en minitryckkammare, därmed simulera Ostwald mognad.

"Detta tillät oss att exakt bestämma trycket vid vilket bubblan börjar krympa och slutligen kollapsar, "säger Peter Beltramo, en postdoc i Vermants grupp. Denna speciella experimentella design tillät dem att variera antalet och arten av partiklar som täcker bubblan. Således, de kan relatera antalet partiklar till ytreologiska egenskaper. En ytavkastningsspänning identifierades som den främsta parametern som måste kontrolleras.

De fann att även delvis täckta bubblor kan vara lika stabila som de helt täckta med partiklar. Som ett resultat, den nödvändiga mängden stabilisator kan förutsägas exakt. "Våra resultat kommer att spara mycket material och därmed minska kostnaderna, "understryker Beltramo. Dessutom forskarna fann att en belagd bubbla tål ett mycket högre tryck än en obestruken.

Universellt giltig

Fynden om gränssnittsmekanikens roll är universellt giltiga för alla material med stora ytor eller för applikationer där ytor spelar en viktig roll, säger Vermant. Till exempel, de idéer och mättekniker som utvecklats tillämpas på andra fall av tunnfilmstabilitet, till exempel i biomedicinska tillämpningar som filmerna som kantar alveolerna i lungorna eller tårfilmerna på ögonen. "Dessa filmer är mycket stabila, med stabiliteten som ges av liknande mekanismer - utvecklade av naturen, säger Vermant.

Även om resultaten är allmänna, de är också av särskild fördel för livsmedelsindustrin. Forskarna kan nu söka efter ätbara stabilisatorer för att göra skummiga livsmedel, som glass eller till och med bröddeg, varar längre. "Vi ger livsmedelsindustrin och andra företag utvecklingsriktlinjer och kvantifieringsverktyg som de kan använda för att utveckla nya produkter, "säger Vermant. Och glass hjälpte verkligen till att initiera denna forskning, som medfinansierades av Nestlé. Än, vad som är bra för ölskum eller glass kan också vara bra för att göra betong bättre. Inkluderar små, stabila bubblor gör att den motstår upptiningsfrysningscykler bättre och gör den lättare. Eller hur tankar kring öl kan styra utformningen av nya material. Skål!