Rheology and structural properties of protein and particle-stabilized foams - a multi-scale approach

蛋白质和颗粒稳定泡沫的流变学和结构特性 - 多尺度方法

基本信息

项目摘要

The project aims at a deeper understanding and a better control of rheology and structural properties of protein and particle-stabilized foams. Therefore, the correlation between structure and dynamics has to be investigated on different length scales. We want to employ a multi-scale approach comprising the macroscopic foam, single foam films/ lamellae as well as the liquid/air interface. This strategy requires different scientific and technical skills not covered by an individual research group. The Willenbacher group (mechanical process engineering) contributes its expertise regarding rheology of foams and interfaces. The Müller-Buschbaum group (physics) will use various scattering techniques to explore the structure of the adsorbed amphiphilic surface layer. The v. Klitzing group (physical chemistry) has profound experience in characterizing interactions in foam films and interfacial absorption phenomena.Yield stress and shear modulus are crucial parameters characterizing rheological properties of foams. Preliminary work on milk protein foams disclosed that these physical parameters are directly related to interfacial elastic properties of the corresponding protein solutions. But under certain physico-chemical conditions drastic deviations from these simple correlations between foam rheology and interfacial elasticity were found presumably due to aggregation and structure formation within foam films interconnecting adjacent surface layers. Based on these findings the proposed project has two goals:1. We want to evaluate whether the simple relationship between yield stress and modulus of foams and interfacial elasticity of corresponding solutions found for milk proteins is also valid for other systems. Different proteins and nanoparticles will be used for foam stabilization. Based on these data a predictive physical model relating foam rheological parameters and interfacial elasticity of corresponding solutions will be developed.2. Under certain physico-chemical conditions (pH, ionic strength and valency) the above mentioned relationship between interfacial and foam rheology fails. Aggregation and structure formation of surface active ingredients at the liquid/ air interface and within foam lamellae will be investigated.Specular and grazing incidence X-ray and neutron reflection will be used to elucidate the lateral and vertical composition of the surface layer (length scale: 1-100 nm). Lateral heterogeneities of the surface layer on a micrometer length scale will be deduced from variations in the thermal diffusivity of tracer particles. Furthermore, aggregation and structure formation will be explored with respect to foam film stability using the Thin Film Pressure Balance technique. Structural investigations during drainage will reveal how and at which characteristic state of drainage structure formation across foam lamellae takes place.
该项目旨在更深入地了解和更好地控制蛋白质和颗粒稳定泡沫的流变学和结构特性。因此,结构和动力学之间的相关性必须在不同的长度尺度上进行研究。我们希望采用多尺度的方法,包括宏观泡沫,单泡沫膜/laminate以及液体/空气界面。这一战略需要不同的科学和技术技能,这是单个研究小组所不具备的。Willenbacher集团(机械加工工程)贡献了其在泡沫和界面流变学方面的专业知识。Müller-Buschbaum小组(物理学)将使用各种散射技术来探索吸附的两亲表面层的结构。Klitzing团队(物理化学)在表征泡沫薄膜中的相互作用和界面吸收现象方面拥有丰富的经验。屈服应力和剪切模量是表征泡沫流变特性的关键参数。对牛奶蛋白泡沫的初步研究表明,这些物理参数与相应蛋白质溶液的界面弹性性质直接相关。但在一定的物理化学条件下,泡沫流变学和界面弹性之间的这些简单的相关性的急剧偏差被发现,大概是由于聚集和结构的形成内泡沫膜互连相邻的表面层。根据这些发现,拟议的项目有两个目标:1。我们要评估是否屈服应力和模量的泡沫和界面弹性的牛奶蛋白质的相应解决方案之间的简单关系也适用于其他系统。不同的蛋白质和纳米颗粒将用于泡沫稳定。基于这些数据,将建立一个预测泡沫流变参数和相应溶液界面弹性的物理模型.在某些物理化学条件(pH、离子强度和价态)下,界面和泡沫流变学之间的上述关系失效。将研究表面活性成分在液体/空气界面和泡沫层内的聚集和结构形成,将使用镜面反射和掠入射X射线和中子反射来阐明表面层的横向和纵向组成(长度尺度:1-100 nm)。在微米长度尺度上的表面层的横向不均匀性将推导出示踪粒子的热扩散率的变化。此外,聚集和结构的形成,将探讨相对于泡沫膜的稳定性,使用薄膜压力平衡技术。排水过程中的结构研究将揭示如何以及在哪种特征状态下穿过泡沫层形成排水结构。

项目成果

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