Oktoberfest is een opwindend cultureel evenement, maar het is ook een inspiratiebron voor materiaalwetenschappers en ingenieurs. Niet het bier zelf, maar eerder het bierschuim is een bron van inspiratie.

Een goede schuimkraag - over het algemeen ongeveer 1,5 cm met een indrukwekkende 1, 500, 000 bubbels - wordt verondersteld een teken van kwaliteit en versheid te zijn. Ideaal, deze schuimkraag blijft stabiel, maar verschillende processen werken om de bellen te destabiliseren:bijvoorbeeld, vloeibare afvoer van het schuim, bubbels samenvoegen, of alles knallen kan een snelle destabilisatie veroorzaken. Dit zijn algemene problemen die voorkomen bij alle soorten schuim, of het nu gaat om eten en drinken of technologisch geavanceerde materialen.

Ongewenste verandering in de textuur

Een destabilisatieproces, waarin grote bellen groter worden en kleinere krimpen en uiteindelijk verdwijnen, is bijzonder moeilijk te stoppen. Experts noemen dit proces "Ostwald-rijping, " genoemd naar de Duitse chemicus en 1909 Nobelprijswinnaar Wilhelm Ostwald, die dit fenomeen meer dan 100 jaar geleden voor het eerst beschreef.

Ostwald-rijping veroorzaakt een ongewenste verandering in de textuur van bierschuim en geschuimde voedingsproducten, en het verzwakt ook de productprestaties in veel andere situaties. Het bereiken van schuim- en emulsiestabiliteit vormt dus een uitdaging voor een breed scala aan materiaalwetenschappelijke toepassingen, van producten voor persoonlijke verzorging tot geavanceerde functionele materialen. "Schuimen - of het nu gaat om bierschuim, ijs of schuim voor isolatie - hebben de neiging om grover te worden door het samensmelten of rijpen van de bubbels, " legt Jan Vermant uit, Professor voor zachte materialen aan de ETH Zürich.

Oppervlakte-actieve componenten, zoals bepaalde eiwitten in bierschuimen, kan de rijping doorgaans voorkomen of op zijn minst vertragen door de oppervlaktespanning te verlagen, althans op korte termijn. Maar deze componenten kunnen de stabiliteit van de schuimen op lange termijn niet garanderen, omdat ze het rijpingsproces alleen maar vertragen, maar kan het niet stoppen als het eenmaal is begonnen.

Vermant en zijn groep hebben nu een nieuwe benadering van dit schuimstabiliteitsprobleem gekozen en onlangs in het tijdschrift gepubliceerd PNAS .

"Voor de eerste keer, we zijn erin geslaagd om het oplossen van schuimbellen kwantitatief te beheersen en nieuwe, maar universeel geldige strategieën. Deze zullen de voedings- en materiaalindustrie helpen om gecontroleerde en effectievere stabilisatoren te ontwikkelen om Ostwald-rijping te voorkomen of te stoppen, ’ zegt Vermant.

Netwerk van deeltjes stabiliseert bellen

In hun studie hebben de onderzoekers van ETH-materialen lieten zien hoe bepaalde deeltjes als stabilisator werken en kleine belletjes beschermen tegen krimp. Voor testdoeleinden, de wetenschappers gebruikten latexdeeltjes van micrometerformaat en deeltjes in de vorm van rijstkorrels. Deze deeltjes werden gekozen om een ​​onregelmatige netwerkstructuur te vormen op het belinterface.

De onderzoekers testten of dit netwerk de bellen voldoende ondersteunt in een speciale microfluïdische opstelling. Ze waren in staat om individuele bellen te coaten met een gecontroleerde hoeveelheid van de deeltjesstabilisator en ze vervolgens geleidelijk bloot te stellen aan veranderende drukomstandigheden in een mini-drukkamer, waardoor Ostwald-rijping wordt gesimuleerd.

"Hierdoor konden we precies bepalen bij welke druk de bel begint te krimpen en uiteindelijk instort, " zegt Peter Beltramo, een postdoc in de groep van Vermant. Door dit specifieke experimentele ontwerp konden ze het aantal en de aard van de deeltjes die de bel bekleden, variëren. Dus, ze konden het aantal deeltjes relateren aan de reologische eigenschappen van het oppervlak. Een oppervlaktevloeispanning werd geïdentificeerd als de belangrijkste parameter die moet worden gecontroleerd.

Ze ontdekten dat zelfs gedeeltelijk bedekte bellen net zo stabiel kunnen zijn als volledig bedekt met deeltjes. Als resultaat, de benodigde hoeveelheid stabilisator kan nauwkeurig worden voorspeld. "Onze bevindingen zullen veel materiaal besparen en dus de kosten verlagen, " benadrukt Beltramo. Bovendien de onderzoekers ontdekten dat een gecoate bel een veel hogere druk kan weerstaan ​​dan een ongecoate.

Universeel geldig

De bevindingen over de rol van grensvlakmechanica zijn universeel geldig voor alle materialen met grote oppervlakken of voor toepassingen waarin oppervlakken een belangrijke rol spelen, zegt Vermant. Bijvoorbeeld, de ontwikkelde ideeën en meettechnieken worden toegepast op andere gevallen van dunnefilmstabiliteit, bijvoorbeeld in biomedische toepassingen zoals de films die de longblaasjes in de longen bekleden of de traanfilms op de ogen. "Deze films zijn zeer stabiel, waarbij de stabiliteit wordt verleend door soortgelijke mechanismen - ontwikkeld door de natuur, ’ zegt Vermant.

Hoewel de bevindingen algemeen zijn, ze zijn ook van specifiek voordeel voor de voedingsindustrie. De wetenschappers kunnen nu zoeken naar eetbare stabilisatoren om schuimig voedsel te maken, zoals ijs of zelfs brooddeeg, duren langer. "We voorzien de voedingsindustrie en andere bedrijven van ontwikkelingsrichtlijnen en kwantificeringstools die ze kunnen gebruiken om nieuwe producten te ontwikkelen, " zegt Vermant. En inderdaad heeft ijs geholpen om dit onderzoek op gang te brengen, die werd medegefinancierd door Nestlé. Nog, wat goed is voor bierschuim of ijs kan ook goed zijn om beton beter te maken. Het opnemen van kleine, stabiele bubbels zorgen ervoor dat het beter bestand is tegen ontdooi- en vriescycli en maakt het lichter. Of hoe het denken over bier richting kan geven aan het ontwerp van nieuwe materialen. Proost!