Schlaufenlos zum Gel

Kolloidales Gel aufgenommen mit einem Konfokalmikroskop. Die Bildung eines solchen Gels geht einher mit gerichteten Ketten aus Teilchen (hier rot illustriert), die das gesamte System durchspannen. Bild: Ronja Capellmann, Michael Schmiedeberg

Gele gehören längst zu unserem Alltag, kommen in den verschiedensten Produkten vor. Aber warum werden Gele überhaupt fest? Warum können sich die gelbildenden Teilchen nicht mehr frei wie in einer Flüssigkeit bewegen? Diese Fragen beschäftigen die Wissenschaft bereits seit Jahrzehnten. Einer Gruppe von Forschern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf konnte nun nachweisen, dass diese Eigenschaft von Gelen gerichteten Teilchenketten in ihrer netzwerkartigen Struktur geschuldet ist. Ihre Ergebnisse haben sie nun in dem renommierten Journal Nature Communications* veröffentlicht.

Für diesen Nachweis untersuchten die Wissenschaftler als Modellsystem ein Gel, welches aus einer Mischung von Kolloiden, also Teilchen, die nur tausendstel Millimeter klein sind, und noch kleineren Makromolekülen, sogenannten Polymeren, entsteht. Bevor die flüssige Mischung zum Gel wird, können sich alle Teilchen frei bewegen. Die Kolloide stoßen sich dabei in der Regel ab. Kommen sie sich jedoch so nahe, dass selbst die kleineren Polymere nicht mehr dazwischen passen, werden sie von diesen noch dichter zusammengeschoben. Dadurch bilden sich Kolloidketten. Formt sich aus diesen Ketten ein komplexes Netzwerk im gesamten System, entsteht ein Gel – so lautete zumindest die bisherige Annahme.

Denn die Wissenschaftler aus Erlangen und Düsseldorf haben jetzt herausgefunden, dass die Teilchenketten eine bestimmte Form haben müssen, um ein Gel zu bilden: Sie müssen gerichtet sein, das heißt, sie müssen sich ohne Schlaufen durch das System ziehen. Bildlich gesprochen kann man sich das so vorstellen: Läuft man entlang einer gerichteten Kette, durchwandert man das System nur in eine Richtung, bei Schlaufen hingegen wäre man gezwungen, auch Schritte zurück zu machen. Durch diese gerichteten Teilchenketten, die dem System im Gegensatz zu Schlaufen Stabilität verleihen, entsteht die feste Eigenschaft des Gels.

Die Ergebnisse sind von großer Bedeutung für das Verständnis der Materialeigenschaften von Gelen, die zum Beispiel Zahnpasta, Gelatine und vielen anderen Kosmetik- und Lebensmittelprodukten beigemischt werden, um sie zu stabilisieren. „Wir konnten zudem nachweisen, dass Gele dazu neigen, sich zusammenzuziehen, sobald es systemdurchspannende Teilchenketten gibt“, sagt Prof. Dr. Michael Schmiedeberg vom Institut für Theoretische Physik. „Das Wissen darum könnte dazu beitragen, die Herstellungsprozesse von Lebensmitteln noch zu verbessern.“

Literatur
M. Kohl, R. F. Capellmann, M. Laurati, S. U. Egelhaaf, M. Schmiedeberg, Directed percolation identified as equilibrium pre-transition towards non-equilibrium arrested gel states, Nature Communications 7 (2016) [Beitrag kostenlos herunterladbar]

Quelle
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg