Oktoberfest es un evento cultural emocionante, pero también es una fuente de inspiración para los científicos e ingenieros de materiales. No la cerveza en sí, sino que la espuma de la cerveza es una fuente de inspiración.

Una buena cabeza de espuma, que generalmente mide alrededor de 1,5 cm y contiene un impresionante 1, 500, 000 burbujas:se supone que es un signo de calidad y frescura. Idealmente, esta cabeza espumosa permanece estable, pero varios procesos actúan para desestabilizar las burbujas:por ejemplo, drenaje líquido de la espuma, fusionando burbujas, o reventar todo puede causar una rápida desestabilización. Estos son problemas genéricos comunes a todos los tipos de espuma, ya sea en alimentos y bebidas o en materiales tecnológicamente avanzados.

Cambio indeseable en la textura.

Un proceso de desestabilización, en el que las burbujas grandes se vuelven más grandes y las más pequeñas se encogen y finalmente desaparecen, es particularmente difícil de detener. Los expertos llaman a este proceso "maduración de Ostwald, "llamado así por el químico alemán y ganador del Premio Nobel de 1909 Wilhelm Ostwald, quien describió por primera vez este fenómeno hace más de 100 años.

La maduración de Ostwald provoca un cambio indeseable en la textura de la espuma de cerveza y los productos alimenticios espumados, y también debilita el rendimiento del producto en muchas otras situaciones. Por lo tanto, lograr la estabilidad de la espuma y la emulsión presenta un desafío en una amplia gama de aplicaciones de la ciencia de los materiales, desde productos para el cuidado personal hasta materiales funcionales avanzados. "Espumas, ya sea espuma de cerveza, helado o espuma para aislamiento:tienden a endurecerse debido a que sus burbujas se fusionan o maduran, "explica Jan Vermant, Profesor de Materiales Blandos en ETH Zurich.

Componentes tensioactivos, como ciertas proteínas en las espumas de cerveza, típicamente puede prevenir o al menos ralentizar la maduración al reducir la tensión superficial, al menos a corto plazo. Pero estos componentes no pueden garantizar la estabilidad a largo plazo de las espumas, ya que solo ralentizan el proceso de maduración, pero no puede detenerlo una vez que ha comenzado.

Vermant y su grupo han adoptado un nuevo enfoque para este problema de estabilidad de la espuma y lo han publicado recientemente en la revista. PNAS .

"Por primera vez, Hemos logrado controlar cuantitativamente la detención de la disolución de las burbujas de espuma y formular novedosos, pero estrategias universalmente válidas. Estos ayudarán a las industrias de alimentos y materiales a desarrollar estabilizadores controlados y más efectivos para prevenir o detener la maduración de Ostwald. "dice Vermant.

Red de partículas estabiliza burbujas

En su estudio, Los investigadores de materiales de ETH mostraron cómo determinadas partículas actúan como estabilizadores y protegen las pequeñas burbujas contra la contracción. Para propósitos de prueba, los científicos utilizaron partículas de látex de tamaño micrométrico y partículas con forma de granos de arroz. Estas partículas se eligieron para formar una estructura de red irregular en la interfaz de la burbuja.

Los investigadores probaron si esta red soporta suficientemente las burbujas en una disposición especial de microfluidos. Pudieron cubrir burbujas individuales con una cantidad controlada de estabilizador de partículas y luego exponerlas gradualmente a condiciones de presión cambiantes en una mini cámara de presión. simulando así la maduración de Ostwald.

"Esto nos permitió determinar con precisión la presión a la que la burbuja comienza a contraerse y finalmente colapsa, "dice Peter Beltramo, un postdoctorado en el grupo de Vermant. Este diseño experimental particular les permitió variar el número y la naturaleza de las partículas que recubren la burbuja. Por lo tanto, podrían relacionar el número de partículas con las propiedades reológicas de la superficie. Se identificó un límite elástico superficial como el parámetro principal que debe controlarse.

Descubrieron que incluso las burbujas parcialmente cubiertas pueden ser tan estables como las completamente cubiertas de partículas. Como resultado, la cantidad requerida de estabilizador se puede predecir con precisión. "Nuestros hallazgos ahorrarán muchos materiales y, por lo tanto, reducirán los costos, "enfatiza Beltramo. Además, Los investigadores encontraron que una burbuja revestida puede soportar una presión mucho mayor que una sin revestimiento.

Universalmente válido

Los hallazgos sobre el papel de la mecánica interfacial son universalmente válidos para todos los materiales con grandes superficies o para aplicaciones en las que las superficies juegan un papel importante. dice Vermant. Por ejemplo, las ideas y técnicas de medición desarrolladas se aplican a otros casos de estabilidad de película delgada, por ejemplo, en aplicaciones biomédicas como las películas que recubren los alvéolos de los pulmones o las películas lagrimales de los ojos. "Estas películas son muy estables, con la estabilidad impartida por mecanismos similares, desarrollados por la naturaleza, "dice Vermant.

Aunque los hallazgos son generales, también son de beneficio específico para la industria alimentaria. Los científicos ahora pueden buscar estabilizadores comestibles para hacer alimentos espumosos, como helado o incluso masa de pan, durar más. "Proporcionamos a la industria alimentaria y a otras empresas pautas de desarrollo y herramientas de cuantificación que pueden utilizar para desarrollar nuevos productos, "dice Vermant. Y, de hecho, el helado ayudó a iniciar esta investigación, que fue cofinanciado por Nestlé. Todavía, lo que es bueno para la espuma de cerveza o el helado también puede ser bueno para mejorar el concreto. Incorporando pequeños, las burbujas estables lo hacen resistir mejor los ciclos de descongelación y congelación y lo hace más liviano. O cómo pensar en la cerveza puede orientar el diseño de nuevos materiales. ¡Salud!