L'Oktoberfest è un emozionante evento culturale, ma è anche una fonte di ispirazione per scienziati e ingegneri dei materiali. Non la birra in sé, ma piuttosto la schiuma della birra è fonte di ispirazione.

Una buona testa di schiuma - generalmente misura circa 1,5 cm e contiene un impressionante 1, 500, 000 bollicine – dovrebbe essere un segno di qualità e freschezza. Idealmente, questa testa schiumosa rimane stabile, ma diversi processi agiscono per destabilizzare le bolle:ad esempio, drenaggio liquido della schiuma, bolle di fusione, o far scoppiare tutto può causare una rapida destabilizzazione. Si tratta di problemi generici comuni a tutti i tipi di schiuma, sia in cibi e bevande che in materiali tecnologicamente avanzati.

Cambiamento indesiderato nella trama

Un processo di destabilizzazione, in cui le bolle grandi diventano più grandi e quelle più piccole si restringono e alla fine scompaiono, è particolarmente difficile da fermare. Gli esperti chiamano questo processo "Maturazione di Ostwald, " chiamato per il chimico tedesco e vincitore del premio Nobel 1909 Wilhelm Ostwald, che per primo descrisse questo fenomeno oltre 100 anni fa.

La maturazione di Ostwald provoca un cambiamento indesiderato nella consistenza della schiuma di birra e dei prodotti alimentari schiumati, e indebolisce le prestazioni del prodotto anche in molte altre situazioni. Raggiungere la stabilità della schiuma e dell'emulsione rappresenta quindi una sfida per un'ampia gamma di applicazioni nella scienza dei materiali, dai prodotti per la cura personale ai materiali funzionali avanzati. "Schiume - che si tratti di schiuma di birra, gelato o schiuma per l'isolamento - tendono a diventare grossolani a causa della fusione o della maturazione delle bolle, " spiega Jan Vermant, Professore di Soft Materials all'ETH di Zurigo.

Componenti tensioattivi, come alcune proteine ​​nelle schiume di birra, può tipicamente prevenire o almeno rallentare la maturazione abbassando la tensione superficiale, almeno a breve termine. Ma questi componenti non possono garantire la stabilità a lungo termine delle schiume, in quanto rallentano solo il processo di maturazione, ma non può fermarlo una volta che è iniziato.

Vermant e il suo gruppo hanno ora adottato un nuovo approccio a questo problema di stabilità della schiuma e lo hanno recentemente pubblicato sulla rivista PNAS .

"Per la prima volta, siamo riusciti a controllare quantitativamente l'arresto della dissoluzione delle bolle di schiuma e a formulare nuovi, strategie universalmente valide. Questi aiuteranno le industrie alimentari e dei materiali a sviluppare stabilizzanti controllati e più efficaci per prevenire o fermare la maturazione di Ostwald, "dice Vermant.

La rete di particelle stabilizza le bolle

Nel loro studio, i ricercatori dei materiali dell'ETH hanno mostrato come particolari particelle agiscano da stabilizzatore e proteggano le piccole bolle dal restringimento. A scopo di test, gli scienziati hanno utilizzato particelle di lattice di dimensioni micrometriche e particelle a forma di chicchi di riso. Queste particelle sono state scelte per formare una struttura di rete irregolare all'interfaccia della bolla.

I ricercatori hanno testato se questa rete supporta sufficientemente le bolle in una speciale disposizione microfluidica. Sono stati in grado di rivestire le singole bolle con una quantità controllata dello stabilizzatore di particelle e quindi esporle gradualmente a condizioni di pressione variabili in una mini camera a pressione, simulando così la maturazione di Ostwald.

"Questo ci ha permesso di determinare con precisione la pressione alla quale la bolla inizia a ridursi e infine collassa, "dice Pietro Beltramo, un postdoc nel gruppo di Vermant. Questo particolare disegno sperimentale ha permesso loro di variare il numero e la natura delle particelle che ricoprono la bolla. Così, potrebbero mettere in relazione il numero di particelle con le proprietà reologiche della superficie. Uno sforzo di snervamento superficiale è stato identificato come il parametro principale che deve essere controllato.

Hanno scoperto che anche le bolle parzialmente coperte possono essere stabili quanto quelle completamente ricoperte di particelle. Di conseguenza, la quantità richiesta di stabilizzante può essere prevista con precisione. "I nostri risultati faranno risparmiare molti materiali e quindi ridurranno i costi, " sottolinea Beltramo. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che una bolla rivestita può resistere a una pressione molto più elevata di una non rivestita.

Valido universalmente

Le scoperte sul ruolo della meccanica interfacciale sono universalmente valide per tutti i materiali con grandi superfici o per applicazioni in cui le superfici giocano un ruolo importante, dice Vermant. Per esempio, le idee e le tecniche di misurazione sviluppate vengono applicate ad altri casi di stabilità del film sottile, per esempio nelle applicazioni biomediche come i film che rivestono gli alveoli nei polmoni o i film lacrimali sugli occhi. "Questi film sono molto stabili, con la stabilità impartita da meccanismi simili - sviluppati dalla natura, "dice Vermant.

Sebbene i risultati siano generali, sono anche di specifico beneficio per l'industria alimentare. Gli scienziati possono ora cercare stabilizzanti commestibili per produrre cibi schiumosi, come il gelato o anche l'impasto del pane, durare più a lungo. "Forniamo all'industria alimentare e ad altre aziende linee guida di sviluppo e strumenti di quantificazione che possono utilizzare per sviluppare nuovi prodotti, " dice Vermant. E infatti il ​​gelato ha contribuito ad avviare questa ricerca, che è stato cofinanziato da Nestlé. Ancora, quello che va bene per la schiuma di birra o il gelato può andar bene anche per rendere migliore il cemento. Incorporando piccolo, le bolle stabili lo rendono più resistente ai cicli di disgelo e lo rendono più leggero. O come pensare alla birra può guidare la progettazione di nuovi materiali. Saluti!