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

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projektes war das Erlangen eines tieferen Verständnisses und einer besseren Kontrolle der rheologischen und strukturellen Eigenschaften protein- und partikelstabilisierter Schäume. Dazu wurden die Zusammenhänge zwischen Struktur und Dynamik auf verschiedenen Längenskalen untersucht. Hierzu wurde ein Multiskalenansatz genutzt, der Untersuchungen am makroskopischen Schaum, der Schaumlamelle und an der Grenzfläche Luft/Flüssigkeit umfasste. Dies erforderte verschiedene wissenschaftliche / methodische Ansätze, die in der Zusammenarbeit der Arbeitsgruppen von Klitzing, Müller-Buschbaum und Willenbacher abgedeckt wurde. Die AG Müller-Buschbaum (Physik) untersuchte hierbei die Grenzflächenstruktur mittels Röntgen- und Neutronenstreuung, sowohl spekulär wie auch unter streifendem Einfall, so dass der laterale und vertikale Aufbau der Schaumfilme bestimmt werden konnte. Komplementär wurden abbildende Methoden wie Rasterelektronenmikroskopie verwendet. Mit abbildenden optischen Methoden wurden zudem auch größere Längenskalen abgedeckt. Die Arbeiten konzentrierten sich auf das wichtigste Rindermolkenprotein ß-Lactoglobulin, mit welchem auch zentrale Untersuchungen in den AGs von Klitzing und Willenbacher gemacht wurden. Die Untersuchungen wurden sehr erfolgreich auf Bio-Hybrid-Filme ausgeweitet, indem Titandioxid-Nanostrukturen in die β-Lactoglobulin-Schaumfilme eingebracht wurden, was eine Bio-Temperierung von nanostrukturierten schaumartigen Titandioxid-Filmen bei niedriger Temperatur und auf Wasserbasis ermöglichte. Hierzu wurden verschiedene Vorläufer betrachtet und die erhaltenen schaumartigen Titandioxid-Filme hinsichtlich ihrer Morphologie und Kristallinität untersucht. Daher stellt diese Arbeit neben dem gewonnenen grundlegenden Wissen zu Schaumfilmen auch einen interessanten Ansatz für eine wasserbasierte Niedrigtemperaturroute für nanostrukturierte schaumartige Titanoxidfilmen dar. Sie fördert eine umweltfreundliche und nachhaltigere Herstellung von Funktionsschichten auf der Basis von Titandioxid mit der Möglichkeit eines Hochskalierens in großem Maßstab, was für zahlreiche Anwendungen in den Bereichen Sensorik, Energieumwandlung und Energiespeicherung von Interesse ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• GISANS study on whey protein and titania interfaces: Influence of pH on spray deposited biohybrid film morphology, MLZ User Meeting, 07 – 08 December 2021
  J. E. Heger, C. Geiger, T. Widmann, L. P. Kreuzer, S. Yin, A. Koutsioumpas & P. Müller-Buschbaum
  
• In situ GISAXS/GIWAXS investigation of ß-sheet mediated biotemplating in TiO2:ß-lactoglobulin films during spray deposition, DESY Photon Science Users’ Meeting 2021, 27 – 28 January
  J. E. Heger, W. Chen, C. Brett,W. Ohm, S. V. Roth & P. Müller-Buschbaum
  
• In situ GIXS investigation of ß-lactoglobulin templated TiO2 hybrid film formation during spray deposition: An approach to green synthesis of functional materials, ACS Virtual Spring Meeting 2021, 05 – 16 April 2021
  J. E. Heger, W. Chen, S. Yin, C. Geiger, C. J. Brett, W. Ohm, S. V. Roth & P. Müller-Buschbaum
  
• Inorganic-organic hybrid nanostructures based on biopolymer templating, 11th Energy Colloquium of the Munich School of Engineering, 28 – 29 July 2021
  L. F. Huber & P. Müller-Buschbaum
  
• Observing the role of ß-lactoglobulin in biotemplating TiOx during spray deposition with in situ GIXS techniques: A route to green sol-gel chemistry, DPG Virtual Spring Meeting 2021, 22 – 24 March 2021
  J. E. Heger, W. Chen, S. Yin, C. L. Weindl, C. Geiger, C. J. Brett, W. Ohm, S. V. Roth & P. Müller-Buschbaum
  
• Inorganic-organic hybrid nanostructures based on biopolymer templating 12th Energy Colloquium of the Munich Institute of Integrated Materials, Energy and Process Engineering (MEP), 28 July 2022
  L. F. Huber & P. Müller-Buschbaum
  
• Inorganic-organic hybrid nanostructures based on biopolymer templating, BioINSP, Konstanz (hybrid), 21 – 24 April 2022
  L. F. Huber & P. Müller-Buschbaum
  
• Low-temperature and water-based biotemplating of nanostructured foam-like titania films using ß-Lactoglobulin, 12th Energy Colloquium of the Munich Institute of Integrated Materials, Energy and Process Engineering (MEP), 28 July 2022
  J. E. Heger, W. Chen, S. Yin, N. Li, C. J. Brett, W.Ohm, S. V. Roth & P. Müller-Buschbaum
  
• Low‐Temperature and Water‐Based Biotemplating of Nanostructured Foam‐Like Titania Films Using ß‐Lactoglobulin. Advanced Functional Materials, 32(20).
  Heger, Julian E.; Chen, Wei; Yin, Shanshan; Li, Nian; Körstgens, Volker; Brett, Calvin J.; Ohm, Wiebke; Roth, Stephan V. & Müller‐Buschbaum, Peter
  
• Sustainable biohybrid interfaces: GISANS study on spray deposited whey protein and titania composite films at varying pH MLZ User Meeting 2022, Munich, 08 – 09 December 2022
  J. E. Heger, C. Geiger, T. Widmann, L. P. Kreuzer, J. Reitenbach, S. Yin, A. Koutsioumpas & P. Müller-Buschbaum
  
• ß-lactoglobulin-biotemplating of crystalline TiO2 films at low temperature, 6th Bioinspired Materials 2022, 21 – 24 March 2022
  J. E. Heger, W. Chen, S. Yin, N. Li, V. Körstgens, C. J. Brett, W. Ohm, S. V. Roth, P. Müller-Buschbaum, J. E. Heger, W. Chen, S. Yin, N. Li, V. Körstgens, C. J. Brett, W. Ohm, S. V. Roth & P. Müller-Buschbaum