Emulsion mit Hin- und Rückfahrkarte
Öl-in-Wasser zu Wasser-in-Öl und wieder zurück: Doppelte Inversion von Emulsionen durch Nanopartikel und Tenside
Öl und Wasser sind nicht mischbar. Trotzdem ist es möglich, beide zu einer einheitlich wirkenden Emulsion zu vereinigen, man denke an so alltägliche Produkte wie Creme, Bodylotion, Milch oder Mayonnaise. Die eine Flüssigkeit liegt dabei als kleine Tröpfchen fein verteilt in der anderen Flüssigkeit vor. Ein Emulgator und kräftiges Schütteln oder Rühren sind dazu notwendig. Ob Öltröpfchen in Wasser (Öl-in-Wasser-Emulsion, O/W) oder Wassertröpfchen in Öl (Wasser-in-Öl-Emulsion, W/O) schwimmen, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Ein britisches Team von der University of Hull berichtet jetzt in der Zeitschrift Angewandte Chemie über die doppelte Inversion einer nanopartikelhaltigen Emulsion: Einzig und allein durch sukzessive Zugabe eines Tensids gelang es, die O/W- in eine W/O- und wieder zurück in eine O/W-Emulsion umzuwandeln.
Aufgabe des Emulgators ist es, die Bildung von Tröpfchen zu erleichtern und der Entmischung entgegenzuwirken. Neben Tensiden (Stoffen, die z.B. in Spülmittel enthalten sind) wirken auch feine Feststoffteilchen stabilisierend. So wird etwa Senfpulver schon seit langem zur Stabilisierung von Mayonnaise eingesetzt. Sowohl Tenside als auch Partikel setzen sich an der Phasengrenze der beiden Flüssigkeiten ab und hindern die Tröpfchen daran zusammenzufließen. Viele kommerzielle Rezepturen enthalten sowohl Tenside als auch Feststoffteilchen.
Ändert man die Bedingungen, kann es zu einer Phaseninversion kommen, aus einer O/W- kann plötzlich eine W/O-Emulsion werden, beipsielsweise durch Zugabe von immer mehr Tensid - an sich kein großes Kunststück. Bernard P. Binks und Johnny A. Rodrigues haben jetzt aber Erstaunliches geschafft: eine doppelte Inversion. Ihr Ausgangssystem enthält Silica-Nanopartikel und eine geringe Menge eines Tensids mit einer wasserfreundlichen (hydrophilen), positiv geladenen Kopfgruppe und zwei unpolaren, wasserabweisenden (hydrophoben) Schwänzen. Die winzigen Silica-Kügelchen sind negativ geladen, hydrophil und sehr gut von Wasser benetzbar. In diesem Zustand stabilisieren sie Öltröpfchen in Wasser (O/W). Wird mehr Tensid zugegeben, lagert sich eine Schicht aus Tensid-Molekülen um die Kügelchen. Dabei ragen die hydrophoben Schwänze nach außen. Die Kügelchen sind nun wie mit einer hydrophoben Schicht überzogen. Jetzt sind sie von Wasser sehr schlecht benetzbar, stoßen sich nicht mehr gegenseitig ab und beginnen zu aggregieren. Die Emulsion durchläuft die erste Inversion zu W/O. Wird nun weiter Tensid zugegeben, lagern sich diese Moleküle mit ihren Schwänzen an die nach außen ragenden Schwänze der ersten Tensid-Schicht an. Es entsteht eine Doppelschicht um die Küglechen. Dabei zeigen nun die positiv geladenen Kopfgruppen nach außen, die Kügelchen tragen wieder eine geladene, hydrophile Oberfläche. Nun stabilisieren sie wieder Öltröpfchen in der Wasserphase. Die Emulsion durchläuft die zweite Inversion zurück zu O/W.
Angewandte Chemie: Presseinfo 24/2007
Autor: Bernard P. Binks, University of Hull (UK), http://www.hull.ac.uk/scg/binks/bernie.htm
Angewandte Chemie, doi: 10.1002/ange.200700880
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