Der Seife auf den Leim gegangen
Seifen und andere Detergenzien wirken zumindest in Nano-Emulsionen offenbar anders als bislang angenommen
Impfstoffe, medizinische Sprays, möglicherweise aber auch Cremes oder Salben müssen künftig vielleicht neu gemischt werden. Denn die Substanzen, die diese Emulsionen stabilisieren, wirken entweder kaum oder anders als seit gut 100 Jahren gedacht. Physiker des Max-Planck-Instituts für Metallforschung haben festgestellt, dass Tröpfchen in Nano-Emulsionen wie etwa in Impfstoff-Zubereitungen kaum von Detergenzien eingehüllt werden. Detergenzien, zu denen auch Seife gehört, werden Emulsionen zugesetzt, um Öltröpfchen in einer wässrigen Umgebung zu stabilisieren. Sie bestehen aus einem öllöslichen und einem wasserlöslichen Teil und sollen zwischen den beiden Flüssigkeiten vermitteln, indem sie die Oberflächenspannung zwischen ihnen herabsetzen. Das tun sie aber zumindest in Emulsionen mit nanoskopischen Tröpfchen längst nicht so effektiv wie bislang angenommen. (J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 2122-2123)
Wo ist die Seife? Um die Verteilung des Detergenz an der Grenzfläche zwischen Öl und Wasser zu messen, nutzen die Forscher des MPI für Metallforschung die Summen-Frequenz-Spektroskopie: Sie kombinieren Infrarotlicht und sichtbare Strahlen auf eine Weise, dass sie den Aufbau der Grenzfläche enthüllen. Das Licht wird dabei im Winkel θ gestreut.
MPI f. Metallforschung
Man darf nicht alles glauben, was in Lehrbüchern steht. Das muss Sylvie Roke, Leiterin einer Max-Planck Forschergruppe am Max-Planck-Institut für Metallforschung, derzeit immer wieder Studenten, aber auch erfahrenen Kollegen erklären. Seit 100 Jahren vermitteln physikalische Lehrbücher ein Bild von stabilen Emulsionen, das zwar einleuchtet, aber offenbar falsch ist: Demnach setzten sich die gleichermaßen öl- wie wasserlöslichen Moleküle einer Seife auf die Oberflächen der winzigen Öltröpfchen, die in einer wässrigen Umgebung schweben. Auf diese Weise reduziere die Seife die Oberflächenspannung des Wassers und stabilisiere die Emulsionen. Doch diese Vermittler-Rolle erfüllen die Seifen-Moleküle in viel geringerem Maße als bislang gedacht, wie Sylvie Roke und ihre Mitarbeiter jetzt festgestellt haben.
Die Physikerin hat eine Methode entwickelt, um gezielt den molekularen Aufbau von Kolloid-Oberflächen zu untersuchen - dazu gehören auch Öltröpfchen in einer Emulsion. Diese Methode heißt Schwingungs-Summen-Frequenz-Spektroskopie und ermittelt aus charakteristischen Schwingungen der Oberflächen-Moleküle nicht nur, welche Substanzen auf den Öltröpfchen sitzen, sondern auch in welchen Mengen. Auf diese Weise hat das Team von Sylvie Roke verschiedene Mischungen aus Wasser, Öl und Natriumdodecylsulfat (NDS) - einem gängigen Detergenz in Shampoos und Cremes - untersucht. Die Flüssigkeiten mischen die Forscher so gut, dass die Öltröpfchen keine 100 Nanometer mehr messen. Und wie sie festgestellt haben, umgeben sich die Öltröpfchen nur mit wenigen NDS-Molekülen. Das ändert sich auch kaum, selbst wenn die Forscher die NDS-Konzentration in der Mischung drastisch erhöhen.
Aus der Menge der NDS-Moleküle auf den Öltröpfchen berechneten die Physiker, wie stark das Detergenz die Oberflächenspannung zwischen Wasser und Öl reduziert. "Der Effekt ist marginal und fällt viel geringer aus als in planaren Systemen", sagt Sylvie Roke. Als planares System bezeichnet die Physikerin eine Mischung, in der sich Öl über eine Seifenlösung schichtet. An solchen Schichtsystemen hatten Forscher vor gut 100 Jahren untersucht, wie Seife die Oberflächenspannung zwischen Öl und Wasser senkt: Die Seifenmoleküle ordnen sich an der Grenze der beiden Flüssigkeiten so an, dass ihr wasserlöslicher Kopf im Wasser steckt und der öllösliche Schwanz ins Öl ragt.
Um den Aufbau von Emulsionen, in denen sich das Öl im Wasser tropfenförmig verteilt, zu untersuchen, fehlte bis vor kurzem eine geeignete Methode. Also schlossen die Physiker aus den Untersuchungen, die sie vor 100 Jahren an Schichtsystemen machten, auf Emulsionen: Darin werde ein Detergenz sicherlich genauso verhindern, dass sich Öl und Wasser trennen. "Selbst die Gutachter unserer Ergebnisse hielten daran fest und lehnten unsere Arbeit mehrmals ab", sagt Roke: "Aber ich bin mir sicher, dass wir die Lehrbücher ändern müssen." Sie geht sogar davon aus, dass Chemiker in Berechnungen schon mehrfach Hinweise gefunden haben, die der etablierten Theorie widersprechen: "Aber wahrscheinlich haben sie ihren Ergebnissen nicht getraut", so Roke. Nun hat sie nach Vorträgen auf Konferenzen von Kollegen aber auch schon gehört, die Ergebnisse könnten erklären, warum die eignen Experimente nicht funktionieren.
Jetzt wollen sie und ihre Mitarbeiter herausfinden, was Nano-Emulsionen, die in der Medizin oft Anwendung finden, tatsächlich stabilisiert. "Vielleicht brauchen wir dafür gar kein Detergenz", sagt Sylvie Roke: "Die Seife könnte aber auch einfach nur anders wirken als bislang gedacht." Und das möglicherweise nicht nur in Nano-Emulsionen. Um das zu prüfen, werden die Forscher auch Emulsionen mit größeren Tröpfchen - also zum Beispiel Cremes und Salben - mit ihrer Methode inspizieren. "Wir haben uns sogar einen Trick überlegt, um die Wirkung von Spülmittel zu untersuchen", sagt Roke: "Ob das klappt, wissen wir aber noch nicht."
Originalveröffentlichung: Hilton B. de Aguiar, Alex G. F. de Beer, Matthew L. Strader and Sylvie Roke; "The Interfacial Tension of Nanoscopic Oil Droplets in Water Is Hardly Affected by SDS Surfactant"; J. Am. Chem. Soc., 2010, 132 (7), pp 2122-2123.
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