Neutronen lösen das Rätsel der Shampoo-Rezeptur
Wissenschaftler am Institut Laue-Langevin haben mit Hilfe von Neutronen ein Rätsel um die Oberflächeneigenschaften eines modellhaften Polyelektrolyt/Tensid-Gemischs gelöst, wie es in vielen Reinigungsmitteln, Farben, Shampoos und Haarspülungen verwendet wird. Ihre neuen Erkenntnisse könnten die Herstellung dieser Produkte verbessern und ihre Wirksamkeit optimieren und sogar zur Entwicklung neuer Anwendungen für die gezielte Freisetzung von Wirkstoffen bei Medikamenten oder Genen führen.
Das Forscherteam am Institut Laue-Langevin hat quantitativ die Ursache einer Anomalie in der Oberflächenspannung eines Polyelektrolyt/Tensid-Gemischs geklärt. Die Ergebnisse zeigen, dass die drastische Zunahme der Oberflächenspannung, welche die Herstellung zahlreicher pharmazeutischer und kosmetischer Produkte beeinflusst, durch die umfassende Aggregation aktiver Bestandteile verursacht ist. Zudem weisen sie einen Weg, wie man durch spezielle Handhabung der Materialien Grenzflächen mit funktionalen Komponenten neu laden kann.
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 Stoffe, welche die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit verringern und andere Substanzen wie Öl oder Fett in Reinigungsmitteln binden können. Sie sind häufig mit 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. Sie werden in der gesamten Nahrungsmittelindustrie verwendet. Ferner spielen die starken anziehenden Wechselwirkungen von Tensiden mit natürlich vorkommenden Polyelektrolyten wie Proteinen oder DNA in vielen biologischen Prozessen und in medizinischen Anwendungen wie etwa der Wirkstofffreisetzung bei Medikamenten und Genen eine wichtige Rolle.
Die kommerzielle Herstellung und Leistungsfähigkeit von Polyelektrolyt/Tensid-Gemischen wird jedoch beeinträchtigt durch ein besonderes Phänomen, das vor einem Jahrzehnt erstmals gründlich untersucht wurde. 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.
Aus Sicht der industriellen Herstellung vermindert dieser Anstieg der Oberflächenspannung die Leistungsfähigkeit der Additive und erfordert oftmals die Zugabe weiterer Tenside, was mit zusätzlichen Kosten verbunden ist. Daher besteht 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. Das könnte zu wirksameren Rezepturen führen und die Auswirkungen vieler Schadstoffe in der Umwelt verringern.
Um dieses Problem zu erforschen, betrachteten Dr. Richard Campbell (Institut Laue-Langevin), Dr. Imre Varga (Eötvös-Loránd Universität, Ungarn) und deren Mitarbeiter ein in der Literatur häufig untersuchtes System – ein entgegengesetzt geladenes Poly(Diallyldimethylammoniumchlorid)/Natriumdodecylsulfat(Pdadmac/SDS)-System.
Das internationale Forscherteam, dem auch Mitglieder aus Großbritannien und Schweden angehören, verwendete die Neutronenreflektometrie, ein Reflexionsverfahren zur Messung von Zusammensetzung und Struktur dünner Filme, um die Oberflächeneigenschaften hinsichtlich der langsamen Entstehung des „cliff edge peak“ zu beobachten. Sie benutzten das brandneue, im Rahmen des innovativen Millenniumprogramms aufgebaute FIGARO-Reflektometer (Fluid Interfaces Grazing Angles ReflectOmeter – Glanzwinkelreflektometer für Flüssigkeitsgrenzflächen) am Institut Laue-Langevin, dem führenden Zentrum für Neutronenforschung. Sie zeigten erstmals quantitativ, dass diese bemerkenswerte Eigenschaft der Oberflächenspannung von der langsamen Ausfällung von Teilchen aus der wässrigen Lösung ins Sediment herrührt. Die Ausfällung „entleert“ die Lösung und infolgedessen die Oberfläche seiner aktiven Bestandteile und ist gleichzeitig auch für den beobachteten Verlust der Flockigkeit verantwortlich.
Neben der Entdeckung der Ursachen für den Anstieg der Oberflächenspannung wollte das Team auch Methoden untersuchen, um dessen Auswirkungen zu verhindern, wovon kommerzielle Anwendungen unmittelbar profitieren könnten. In der Literatur haben Forscher vorgeschlagen, dass die Art und Weise des Umgangs mit diesen Gemischen die Natur des Materials in der Lösung beeinflussen könnte – ein Phänomen namens „Nicht-Gleichgewichtseffekte“.
Um zu prüfen, ob die Neuverteilung von oberflächenaktivem Material den Cliff-edge-peak-Effekt tatsächlich ausschalten kann, behandelte das Team sorgfältig eine Reihe von Gemischen nach Abschluss des Absetzungsprozesses. Eine kleine mechanische Spannung lieferte gerade genug Energie, um einige der Sedimentteilchen erneut in die Lösung zu überführen, und versorgte die Luft/Flüssigkeits-Schnittstelle erneut mit hinreichend Material, um die Oberflächenspannung wieder zu verringern.
„Indem wir das Problem von einer anderen Seite angingen, haben wir gezeigt, dass die Art der Handhabung von Polyelektrolyt/Tensid-Systemen eine Vielfalt einstellbarer Oberflächeneigenschaften erzeugen kann“, sagt Dr. Richard Campbell. „Wir hoffen, dass unsere Ergebnisse es künftig Industriechemikern quer durch die Pharma-, Lösungsmittel- und Kosmetikindustrie ermöglichen werden, aus ihren Rohmaterialien bessere Endprodukte herzustellen. Mit einer gezielten Handhabung können sie so nach Bedarf optimale Oberflächeneigenschaften erzeugen, anstatt einfach mehr Material zu verwenden, um die Leistungsfähigkeit zu verbessern.“
Es besteht auch die Hoffnung, dass diese Arbeit zu neuartigen Anwendungen in der Wirkstofffreisetzung bei Medikamenten und Genen beitragen kann. Hier könnte man bei einem stabilen Biomakromolekularsystem einen externen Stimulus verwenden, um die Freisetzung von Proteinen oder DNA an ein bestimmtes Ziel zu veranlassen.
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