Fünfmal mal bessere Waschkraft dank Neutronenforschung


Jülicher Forscher haben ein Polymer entwickelt, das die Effizienz von Tensiden fünffach steigert. Tenside sind der waschaktive Bestandteil von Waschmitteln, die in Haushalt und Industrie zum Einsatz kommen. Der Wirkmechanismus des neuen „Kunststoff-Moleküls“, das den Waschmitteln nur in geringer Menge hinzugefügt werden muss, wurde mit Hilfe von Neutronen-Streuexperimenten aufgeklärt.

Das Problem liegt auf der Hand: Wer würde seine Waschmaschine nicht gerne mit nur einem Löffel Waschmittel füttern statt mit zehn oder fünfzehn. Ein ähnliches Verlangen hat die Industrie überall dort, wo gewaschen und entfettet wird: das Metall verarbeitende Gewerbe, die Textilindustrie usw. Wären Tenside – also der waschaktive Bestandteil von Waschmitteln – effizienter als bisher, könnte der Verbraucher Waschmittel und damit Kosten sparen und zusätzlich die Umwelt schonen. Ein Mittel, das die Effizienz von Tensiden erheblich steigert, haben Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich kürzlich entwickelt.

„Unter der Effizienz eines Tensids versteht man das Vermögen, mit möglichst wenig Tensid Wasser und Öl miteinander zu mischen“, sagt Dr. Jürgen Allgaier, Chemiker im Jülicher Institut für Festkörperforschung. „Die Idee: Wir haben mit einem Polymer experimentiert, das ähnlich wie ein Tensid aufgebaut ist, aber sehr viel größer ist.“ Die Wirkungsweise eines Tensids kann man sich vorstellen wie eine Schlange mit zwei verschiedenen Köpfen: Einer der beiden Köpfe „beißt“ sich an den Wasserteilchen fest, der andere an Öl. Auf diese Weise werden Ölteilchen an Wasserteilchen gekoppelt, wird „Öl in Wasser gelöst“, wie der Chemiker sagt. Die Grenzfläche zwischen Wasser und Öl verläuft etwa in „Schlangenmitte“.

Die Grenzfläche zwischen Wasser und Öl ist im „Normalfall“ – also ohne Polymer – vielfach gefaltet; ihre Oberfläche ist groß. Entsprechend viele Tensid-Moleküle sind nötig, um Öl in Wasser zu lösen. Gibt man nun das große Jülicher Polymer dazu, verdrängt es stellenweise Tensid-Moleküle und macht die Grenzfläche zwischen Wasser und Öl steif und glatt. Die Folge: weniger Tensid ist nötig, um Öl in Wasser zu lösen. Ein Zahlenbeispiel: Wenn bisher 1000 Gramm Tensid nötig waren, um eine bestimmte Menge Wasser und Öl zu vermischen („emulgieren“), dann lässt sich dieses Kilogramm nun durch ein Gemisch aus 200 Gramm Tensid und 20 Gramm Polymer ersetzen. „Das bedeutet deutlich weniger Kosten und einen großen Vorteil für die Umwelt. Das Polymer ist zudem biologisch abbaubar“, sagt Allgaier.

Was im Nachhinein recht einfach aussieht, musste im Detail aufwändig erforscht werden, zum Beispiel wie das Polymer wirkt. „Wir haben das Polymer nämlich empirisch bei Versuchen gefunden, die wir zusammen mit der Universität Köln durchgeführt haben“, erläutert Allgaier. Um herauszubekommen, an welcher Stelle das Polymer „andockt“, machten Allgaier und seine Kollegen von der Physik ein „Neutronen-Streuexperiment“. Dazu ersetzten sie zunächst die Wasserstoffatome von Öl und Wasser durch schweren Wasserstoff (Deuterium). Nur das neue Polymer enthielt nach wie vor „normale“ Wasserstoffatome. Grund für diese knifflige Vorarbeit: Neutronen – winzige Neutralteilchen – können „normalen“ und „schweren“ Wasserstoff voneinander unterscheiden. „Als wir dann die Emulsion mit Neutronen beschossen haben, konnten wir genau berechnen, an welcher Stelle in der Emulsion sich das Polymer befindet“, sagt Professor Dieter Richter, Direktor des Instituts für Neutronenstreuung im Forschungszentrum Jülich. „Nur aufgrund dieses Neutronen-Streuexperiments wissen wir, dass das Polymer an der Grenzfläche Öl – Wasser ansetzt und diese glättet.“

 

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Peter Schäfer idw

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