Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 19.02.2010

Seifen und andere Detergenzien wirken zumindest in Nano-Emulsionen offenbar anders als bislang angenommen

Impfstoffe, medizinische Sprays, möglicherweise aber auch Cremes oder Salben müssen künftig vielleicht neu gemischt werden. Denn die Substanzen, die diese Emulsionen stabilisieren, wirken entweder kaum oder anders als seit gut 100 Jahren gedacht. Physiker des Max-Planck-Instituts für Metallforschung haben festgestellt, dass Tröpfchen in Nano-Emulsionen wie etwa in Impfstoff-Zubereitungen kaum von Detergenzien eingehüllt werden. Detergenzien, zu denen auch Seife gehört, werden Emulsionen zugesetzt, um Öltröpfchen in einer wässrigen Umgebung zu stabilisieren. Sie bestehen aus einem öllöslichen und einem wasserlöslichen Teil und sollen zwischen den beiden Flüssigkeiten vermitteln, indem sie die Oberflächenspannung zwischen ihnen herabsetzen. Das tun sie aber zumindest in Emulsionen mit nanoskopischen Tröpfchen längst nicht so effektiv wie bislang angenommen. (J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 2122-2123)

Man darf nicht alles glauben, was in Lehrbüchern steht. Das muss Sylvie Roke, Leiterin einer Max-Planck Forschergruppe am Max-Planck-Institut für Metallforschung, derzeit immer wieder Studenten, aber auch erfahrenen Kollegen erklären. Seit 100 Jahren vermitteln physikalische Lehrbücher ein Bild von stabilen Emulsionen, das zwar einleuchtet, aber offenbar falsch ist: Demnach setzten sich die gleichermaßen öl- wie wasserlöslichen Moleküle einer Seife auf die Oberflächen der winzigen Öltröpfchen, die in einer wässrigen Umgebung schweben. Auf diese Weise reduziere die Seife die Oberflächenspannung des Wassers und stabilisiere die Emulsionen. Doch diese Vermittler-Rolle erfüllen die Seifen-Moleküle in viel geringerem Maße als bislang gedacht, wie Sylvie Roke und ihre Mitarbeiter jetzt festgestellt haben.

Die Physikerin hat eine Methode entwickelt, um gezielt den molekularen Aufbau von Kolloid-Oberflächen zu untersuchen – dazu gehören auch Öltröpfchen in einer Emulsion. Diese Methode heißt Schwingungs-Summen-Frequenz-Spektroskopie und ermittelt aus charakteristischen Schwingungen der Oberflächen-Moleküle nicht nur, welche Substanzen auf den Öltröpfchen sitzen, sondern auch in welchen Mengen. Auf diese Weise hat das Team von Sylvie Roke verschiedene Mischungen aus Wasser, Öl und Natriumdodecylsulfat (NDS) – einem gängigen Detergenz in Shampoos und Cremes – untersucht. Die Flüssigkeiten mischen die Forscher so gut, dass die Öltröpfchen keine 100 Nanometer mehr messen. Und wie sie festgestellt haben, umgeben sich die Öltröpfchen nur mit wenigen NDS-Molekülen. Das ändert sich auch kaum, selbst wenn die Forscher die NDS-Konzentration in der Mischung drastisch erhöhen.

Aus der Menge der NDS-Moleküle auf den Öltröpfchen berechneten die Physiker, wie stark das Detergenz die Oberflächenspannung zwischen Wasser und Öl reduziert. „Der Effekt ist marginal und fällt viel geringer aus als in planaren Systemen“, sagt Sylvie Roke. Als planares System bezeichnet die Physikerin eine Mischung, in der sich Öl über eine Seifenlösung schichtet. An solchen Schichtsystemen hatten Forscher vor gut 100 Jahren untersucht, wie Seife die Oberflächenspannung zwischen Öl und Wasser senkt: Die Seifenmoleküle ordnen sich an der Grenze der beiden Flüssigkeiten so an, dass ihr wasserlöslicher Kopf im Wasser steckt und der öllösliche Schwanz ins Öl ragt.

Um den Aufbau von Emulsionen, in denen sich das Öl im Wasser tropfenförmig verteilt, zu untersuchen, fehlte bis vor kurzem eine geeignete Methode. Also schlossen die Physiker aus den Untersuchungen, die sie vor 100 Jahren an Schichtsystemen machten, auf Emulsionen: Darin werde ein Detergenz sicherlich genauso verhindern, dass sich Öl und Wasser trennen. „Selbst die Gutachter unserer Ergebnisse hielten daran fest und lehnten unsere Arbeit mehrmals ab“, sagt Roke: „Aber ich bin mir sicher, dass wir die Lehrbücher ändern müssen.“ Sie geht sogar davon aus, dass Chemiker in Berechnungen schon mehrfach Hinweise gefunden haben, die der etablierten Theorie widersprechen: „Aber wahrscheinlich haben sie ihren Ergebnissen nicht getraut“, so Roke. Nun hat sie nach Vorträgen auf Konferenzen von Kollegen aber auch schon gehört, die Ergebnisse könnten erklären, warum die eignen Experimente nicht funktionieren.

Jetzt wollen sie und ihre Mitarbeiter herausfinden, was Nano-Emulsionen, die in der Medizin oft Anwendung finden, tatsächlich stabilisiert. „Vielleicht brauchen wir dafür gar kein Detergenz“, sagt Sylvie Roke: „Die Seife könnte aber auch einfach nur anders wirken als bislang gedacht.“ Und das möglicherweise nicht nur in Nano-Emulsionen. Um das zu prüfen, werden die Forscher auch Emulsionen mit größeren Tröpfchen – also zum Beispiel Cremes und Salben – mit ihrer Methode inspizieren. „Wir haben uns sogar einen Trick überlegt, um die Wirkung von Spülmittel zu untersuchen“, sagt Roke: „Ob das klappt, wissen wir aber noch nicht.“ [PH]

Originalveröffentlichung:
Hilton B. de Aguiar, Alex G. F. de Beer, Matthew L. Strader and Sylvie Roke
The Interfacial Tension of Nanoscopic Oil Droplets in Water Is Hardly Affected by SDS Surfactant
J. Am. Chem. Soc., 2010, 132 (7), pp 2122-2123; DOI: 10.1021/ja9095158

Externer Link: www.mpg.de

Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 12.02.2010

Das Interferenzmuster, das Elektronen einer Nanostruktur erzeugen, hängt von ihrer Spinorientierung ab

Einsperren hilft – nicht nur, wenn Verbrecher ihre wohlverdiente Strafe erhalten sollen, sondern auch in der Physik: Indem sie Elektronen auf einen engen Raum begrenzten, konnten die Forscher um Dirk Sander, Valeri Stepanyuk und Jürgen Kirschner vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle für die Elektronen und ihre Eigendrehimpulse („Spins“) grundlegende quantenphysikalische Phänomene demonstrieren. Aber ihre Arbeit geht über Grundlagenforschung hinaus: Sie eröffnet die Möglichkeit, die Spinpolarisation auf einer Nanometerskala zu manipulieren. Das ist für Entwicklungen der Spintronik äußerst interessant, also der Informationsverarbeitung, die zusätzlich zur Ladung auch den Spin von Elektronen ausnutzt und dadurch kleiner, schneller und sparsamer ist. Die Ergebnisse der Physiker aus Halle sind in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Science“ veröffentlicht. (Science, 12. Februar 2010)

Der enge Raum – das ist für die Forscher eine dreieckige Kobalt-Insel auf einem Kupferkristall: Die Insel ist nur zwei Atomlagen dick und hat eine Kantenlänge von 12 Nanometern, besteht somit gerade mal aus ca. 10 000 Kobaltatomen. Kupfer und Kobalt unterscheiden sich hinsichtlich ihrer elektronischen Struktur. Insbesondere ist Kupfer nichtmagnetisch, Kobalt hingegen magnetisch. Der Inselrand ist eine elektronische Barriere, die Elektronen sind also auf der Insel eingesperrt.

Untersucht wird die Insel mit der magnetischen Spitze eines Rastertunnelmikroskops (RTM). Die Spitze brigen die Forscher sehr nahe an die Insel gebracht. Dann tunneln Elektronen von der Spitze in die Insel. Gemessen wird der Tunnelstrom in Abhängigkeit von der angelegten Spannung zwischen Spitze und Insel. So ermitteln die Physiker den differentiellen elektrischen Leitwert (der Kehrwert des elektrischen Widerstands).

Der besondere Clou des RTM in Halle: Die Messungen werden in Magnetfeldern gemacht, die einige 10.000 Mal stärker als das Erdmagnetfeld sind. So können die Forscher zwei verschiedene magnetische Konfigurationen hergestellen und untersuchen: Die Elektronen-Spins der RTM-Spitze und die der Insel, die für die Magnetisierung verantwortlich sind, weisen in einem Fall in die gleiche, im anderen Fall in die entgegengesetzte Richtung – man spricht von paralleler beziehungsweise antiparalleler Konfiguration. Die Wissenschaftler aus Halle haben in beiden Konfigurationen die Oberfläche der Insel abgerastert und den Tunnelstrom gemessen. So erstellten sie sowohl für die parallele als auch für die antiparallele Konfiguration eine Landkarte, die den Leitwert in Abhängigkeit von der Position auf der Insel darstellt.

Dadurch, dass die Elektronen auf der Insel eingesperrt sind, zeigt die Landkarte der Leitwerte sowohl für die parallele als auch für die antiparallele Konfiguration ein räumliches Muster: Gemäß ihrem Wellencharakter bilden die Elektronen auf der Insel stehende Wellen aus. Allerdings – und das ist das Interessante an den Messergebnissen – wirkt sich das Einsperren in paralleler Konfiguration anders aus als in antiparalleler Konfiguration: Eine dritte Landkarte, in der die Wissenschaftler eintrugen, um wie viel die beiden Werte voneinander abwichen zeigte ebenfalls ein räumliches Muster. Mit anderen Worten: Auch die Spinpolarisation, also das Vorhandensein einer Vorzugsrichtung für den Elektronenspin, ist in der dreieckigen magnetischen Nanostruktur räumlich moduliert.

Untermauern konnten die Wissenschaftler ihre Interpretation durch so genannte ab-initio-Berechnungen. Sie haben damit erstmals gezeigt, dass die Interferenz der Elektronen in der Nanostruktur vom Elektronen-Spin abhängt. [she]

Originalveröffentlichung:
Hirofumi Oka, Pavel Ignatiev, Sebastian Wedekind, Guillemin Rodary, Larissa Niebergall, Valeri Stepanyuk, Jürgen Kirschner
Spin-Dependent Quantum Interference Within a Single Magnetic Nanostructure
Science, 12. Februar 2010

Externer Link: www.mpg.de