SmartMatters4You @Work-Event: Vom Benetzungsverhalten zu Schäumen

Die Arbeitsgruppe von Professor Braunschweig vom Institut für Physikalische Chemie erforscht die Chemie an Oberflächen und fluiden Phasengrenzen, z.B. an der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser. Eine wichtige Rolle spielen dabei Polymere und Tenside, denn diese Stoffe beeinflussen die molekulare Struktur, die Oberflächenladung und die Oberflächenspannung an einer Grenzfläche. Tenside sind eine wichtige Gruppe von Molekülen, die in der Natur vorkommen. Sie setzen die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit herab und ermöglichen dadurch, dass zwei Flüssigkeiten, die nicht mischbar sind, eine Emulsion bilden können. Beispielsweise ist Milch eine stabile Emulsion aus Fett in Wasser, während sich Öl und Wasser ohne Zugabe eines Emulgators entmischen. Darüber hinaus haben Tenside eine waschaktive Wirkung. Sie werden daher unter anderem als Detergenzien in Reinigungsmitteln verwendet. Die dispergierende Eigenschaft von Tensiden kann durch Schaumbildung sichtbar werden (z.B. im Spülmittelwasser).

Schäume und Emulsionen können auf einen Reiz hin (z.B. eine Temperaturänderung oder Lichtbestrahlung) ihre Materialeigenschaften ändern. Eine solche Materialeigenschaft ist beispielsweise die dynamische Viskosität (die Zähflüssigkeit). Wenn eine Flüssigkeit erwärmt wird, sinkt ihre dynamische Viskosität (sie wird dünnflüssiger). Die Viskosität hängt also von der Temperatur ab bzw. die Viskosität einer Flüssigkeit kann über die Temperatur gesteuert werden. Es handelt sich dabei um ein sogenanntes adaptives System, weil das Material auf einen äußeren Reiz reagiert. Es gibt auch andere Wege die Viskosität einer Flüssigkeit zu kontrollieren: Bestimmte Moleküle ändern bei der Bestrahlung mit Licht ihre Struktur, und das beeinflusst die Materialeigenschaften des Systems. Auch ein Lichtreiz kann also dazu führen, dass eine Flüssigkeit ihre Viskosität ändert. Dieser Vorgang kann sogar reversibel sein. Je nachdem, welche Wellenlänge das Licht gerade hat, ist die Flüssigkeit also unterschiedlich viskos.

Das Ziel ist es, verschiedene Reize und Reaktionen in einem System miteinander zu koppeln, und ein komplexes System zu kontrollieren, das nicht nur auf Reize reagiert, sondern auch Feedback verarbeiten kann. So etwas nennt sich ein responsives System. Für intelligente Materie ist noch ein weiterer Schritt notwendig, denn um Informationen auch verarbeiten zu können, müssen diese irgendwo gespeichert werden können. Somit wird ein Speicherelement benötigt, auf das das System zurückgreifen kann. Dies experimentell umzusetzen ist Bestandteil zukünftiger Forschung. Bei diesem @Work-Event wirst du Methoden zur Charakterisierung von Oberflächen und Schäumen kennenlernen, beispielsweise die Tensiometrie zur Messung der Oberflächenspannung, die Goniometrie zur Messung des Kontaktwinkels, sowie die Spektroskopie und die Schaum-Analyse. Außerdem geht es um die Herstellung und Charakterisierung schaltbarer Oberflächen.