Rheologie und Grenzflächenstrukturen von Protein- und Partikelstabilisierten Schäumen - ein Multiskalenansatz

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Regine von Klitzing; Professor Dr. Peter Müller-Buschbaum; Professor Dr. Norbert Willenbacher
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren ; Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 395854042

Ziel des Projektes ist ein tieferes Verständnis und eine bessere Kontrolle der rheologischen und strukturellen Eigenschaften protein- und partikelstabilisierter Schäume. Dazu müssen die Zusammenhänge zwischen Struktur und Dynamik auf verschiedenen Längenskalen verstanden werden. Hierzu wird ein Multiskalenansatz genutzt, der Untersuchungen am makroskopischen Schaum, der Schaumlamelle und an der Grenzfläche Luft/Flüssigkeit umfasst. Dies erfordert verschiedene wissenschaftliche / methodische Ansätze, die nicht von einer Arbeitsgruppe abgedeckt werden können. Die AG Willenbacher (Mechanische Verfahrenstechnik) bringt Expertise zur Rheologie von Schäumen und Grenzflächen in das Projekt ein, die AG Müller-Buschbaum (Physik) klärt die Grenzflächenstruktur auf und die AG v. Klitzing (Physikalische Chemie) befasst sich mit den Wechselwirkungen in Schaumfilmen und der Grenzflächenbelegung.Fließgrenze und Schubmodul sind wichtige Parameter zur Charakterisierung des Fließverhaltens von Schäumen. In Vorarbeiten wurde für Milchproteine erstmals gezeigt, dass diese physikalischen Kenngrößen direkt mit grenzflächenrheologischen Eigenschaften der entsprechenden Lösungen verknüpft sind. Es wurden aber auch signifikante Abweichungen von den einfachen Korrelationen zwischen Schaum- und Grenzflächenrheologie gefunden, die vermutlich mit Aggregation und Strukturbildung innerhalb der Schaumlamellen zusammenhängen.Ausgehend von diesen Ergebnissen verfolgt das beantragte Forschungsvorhaben zwei Ziele:1. Es soll geprüft werden, ob die genannten Korrelationen zwischen Schaumrheologie und Grenzflächenelastizität der korrespondierenden Protein-Lösung auch für andere Stoffsysteme gilt. Zur Schaumstabilisierung werden verschiedene Proteine, und forminvariante Nanopartikel verwendet. Basierend auf diesen Daten soll ein physikalisch fundiertes Modell zur Vorhersage der o.g. schaumrheologischen Parameter und entwickelt werden, das die grenzflächenrheologischen Eigenschaften der entsprechenden Lösungen berücksichtigt.2. Für physiko-chemische Randbedingungen (pH, Ionenstärke und -wertigkeit), für die kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Grenzflächen- und Schaumrheologie gefunden werden kann, soll Aggregation- und Strukturbildung der grenzflächenaktiven Substanzen in den Schaumlamellen untersucht werden.Es wird Röntgen- und Neutronenreflexion spekular und unter streifendem Einfall eingesetzt, um den lateralen und vertikalen Aufbau der Grenzschicht zu erfassen (Längenskala 1-100 nm). An Hand der thermischen Bewegung von Tracerpartikeln sollen Heterogenitäten im lateralen Aufbau der Grenzschicht auf der Mikrometerskala charakterisiert werden. Weiterhin soll Aggregation und Strukturbildung mit Hilfe der Thin Film Pressure Balance Methode charakterisiert und bezüglich ihrer Auswirkungen auf die Lamellenstabilität untersucht werden. Durch Strukturuntersuchungen während der Drainage wird geklärt, ob und in welchem Stadium Strukturbildung innerhalb der Lamellen stattfindet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen