Het gebied tussen twee macromoleculaire fases was tot nu toe lastig in kaart te brengen. Röntgen­metingen veranderen dat. In de toekomst zou het gezondere voedingsproducten kunnen opleveren.

Een stabilisator ontwikkelen om het grensvlak in macromoleculaire oplossingen te stabiliseren, dat is de droom van Mark Vis, universitair docent aan de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e). ‘Dit is nu nog nauwelijks mogelijk.’ Dankzij een geheel nieuwe methode om grensvlakken te bekijken, zijn Vis en collega’s nu een stapje dichterbij die droom.

Twee fases

Een macromoleculaire oplossing is een brede term voor grote moleculen in oplossing. Het gaat dan bijvoorbeeld om polymeren, eiwitten of nanodeeltjes. Het menselijke lichaam is een verzameling van vele soorten macromoleculaire oplossingen. Maar ook producten als verf en voedingsproducten bestaan hieruit. Bij verf wil je dat de oplossing niet ontmengt in verschillende lagen. Bij mayonaise deels wel.

‘Op microscopische schaal zie je oliedruppels in water’, vertelt Vis. ‘Die structuur geeft mayonaise de karakteristieke stroperigheid die we kennen. Maar helaas maakt die olie het product wel heel calorierijk.’ Dit zou je kunnen oplossen met water-in-water-emulsies. Maar daarvoor is dus een stabilisator nodig.

Samen met hoogleraar Remco Tuinier en collega’s van de TU/e en de Universiteit Utrecht wil Vis fasescheiding nuttig gaan inzetten. ‘We willen ontmengen in kleine domeintjes, want dat maakt wellicht nieuwe structuren en producten mogelijk. Maar het moet niet te ver gaan’, legt Vis uit. ‘Je wilt immers niet dat die domeintjes gaan groeien en uitzakken onder invloed van de zwaartekracht in twee afgescheiden fases.’ Dat is vooral een grote uitdaging bij water-in-water-emulsies.

Een modelsysteem bestaande uit een mengsel van silica-nanodeeltjes van 30 nm en poly-dimethyl-siloxaan (PDMS) hielp een nieuwe methode op poten te zetten waarmee je macromoleculaire oplossingen tot in detail kunt bekijken. Daarbij maakten Vis en collega’s gebruik van de European Synchroton Radiation Facility (ESRF) in Frankrijk. Ze maten de röntgenreflectiviteit van het grensvlak tussen de twee fases.

Daarmee meet je hoe sterk het grensvlak de uitgezonden röntgenstraling weerkaatst onder verschillende hoeken. Vis: ‘Dat geeft ons informatie over de dikte en de structuur van het grensvlak. We gebruiken die techniek nu voor het eerst voor een macromoleculair grensvlak. Dat leverde een beeld op dat een factor 100 gedetailleerder is dan met andere technieken, zoals microscopie.’

Ontmengen of niet

Volgens Vis is het van belang dat het onderzoek bewijst dat je door middel van röntgenmetingen kwantitatief in staat bent onderscheid te maken tussen verschillende theorieën, bijvoorbeeld die van het vrije volume. Die voorspelt of een oplossing al dan niet gaat ontmengen. Maar er is nog niet goed bekend onder welke omstandigheden die opgaat. ‘Die vraag kunnen we dankzij onze nieuwe techniek voor elke macromoleculaire oplossing gaan beantwoorden’, stelt Vis.

En op basis daarvan kun je een molecuul of nanodeeltje ontwikkelen dat inwerkt op het grensvlak. Zo’n stabilisator is in staat om de domeintjes die ontstaan gescheiden te houden, zodat de structuur behouden blijft en er niet twee afgescheiden fases ontstaan.

Binnenkort hoopt Vis, die zowel uit de academische wereld als de industrie loftuitingen ontving op het onderzoek, de metingen te gaan uitbreiden naar ingewikkelder en/of meer industrieel relevante systemen; meer wil hij hier nog niet over kwijt.

Noot bij foto: Een zelfontworpen meetcel die het team van Mark Vis gebruikte in de meetopstelling in Frankrijk.