Superzeep

Onderzoekers in het Duitse Jülich ontwikkelden een polymeer dat de waskracht van zeep tot tien keer versterkt. Een druppeltje afwasmiddel is voldoende voor de hele vaat.

Leuke verrassing. Natuurkundigen en chemici van het onderzoekscentrum in het Duitse Jülich ontwikkelden voor zuiver wetenschappelijke doeleinden een polymeer met de eigenschappen van een honderd maal uitvergroot zeepmolecuul. Dat super-zeepmolecuul bleek ook superwassende eigenschappen te bezitten. Voeg vijf gram van de stof toe aan vijftig gram zeep en je kunt evenveel vette pannen aan als met een volle fles afwasmiddel. De waskrachtvermenigvuldiging (tot tien maal) treedt op bij alle zeepachtige stoffen (detergenten).

Het onderzoeksteam in Jülich verricht al jaren fundamenteel onderzoek aan zogenoemde micellen. Dat zijn eilandjes van zeepmoleculen die zich in waswater vormen. De moleculen hebben een apolaire kant, die niet van water houdt. Door elkaar op te zoeken en zich in een micel te groeperen houden de moleculen dit watervrezende uiteinde droog. Alleen de waterminnende (polaire) zijden steken uit de micel naar buiten en komen in aanraking met het water.

Micellen (50 tot 100 nanometer groot) zijn bolvormig, maar soms ook cilindrisch of nog complexer gevormd. Om hun vorming beter te kunnen bestuderen construeren de onderzoekers in 1996 een blokcopolymeer, een polymeer dat is opgebouwd uit twee verschillende polymeren, in dit geval een polair een apolair polymeer. Door die opbouw hebben de polymeermoleculen ongeveer dezelfde fysische eigenschappen als een zeepmolecuul, maar ze zijn wel honderd keer zo groot. Dat vergemakkelijkt het onderzoek. Om de gedragingen van de moleculen in het water te kunnen volgen, wordt een neutronenbundel gebruikt uit de researchreactor van het instituut. De neutronen verstrooien op een kenmerkende manier aan het polymeer.

Tot zo ver boeiend onderzoek maar niet revolutionair. De verrassende wending komt wanneer de onderzoekers na een paar jaar experimenteren benieuwd worden naar de waseigenschappen van hun polymeer. Zou je er ook overhemden mee kunnen reinigen? Natuurkundigen aan de Universiteit van Keulen willen er wel wat experimentjes aan wagen.

menglaag

De waskracht van zeepachtige stoffen berust op hun vermogen vetdeeltjes in te kapselen en op te lossen. De moleculen hechten hun apolaire uiteinde aan het eveneens apolaire vet en hechten met hun polaire kant aan het polaire water. Om het vetoplossende vermogen van een detergent te bepalen vul je een reageerbuis half-om-half met water en olie. Zonder zeepmiddel kun je schudden wat je wil, de twee componenten blijven zich steeds weer scheiden. Met zeep ontstaat er een menglaag met een stabiele suspensie van microscopische oliedruppeltjes in water. Hoe groter de waskracht van de zeep hoe groter ook de menglaag.

De waskracht van het zuivere blokpolymeer blijkt in Keulen nihil, maar toegevoegd aan wat zeep ontstaat een krachtige vetoplosser: het water lost vrijwel alle olie in de reageerbuis op. Ook na vierentwintig uur is aan die situatie niets veranderd.

De verklaring voor de waskrachtversterking ontbreekt in 1998. Aan reinigingsmiddelen worden wel non-ionics toegevoegd om micellen te stabiliseren. Spelen de veel grotere polymeren misschien dezelfde rol? Het onderzoek is lastig door de lage concentraties polymeer in het sop. Van alle neutronen die in het zeepwater van richting veranderen, is aanvankelijk minder dan 0,001 procent verstrooid aan een polymeermolecuul. Pas nadat de onderzoekers water, olie en detergenten `onzichtbaar' hebben gemaakt door de waterstofatomen erin consequent te vervangen door deuteriumatomen, krijgen ze de polymeermoleculen in beeld. Die gedragen zich net als de detergenten. Ze veroveren hun plek op het grensvlak van olie en water. Door hun aanwezigheid is het oppervlak van de microscopische oliedruppeltjes stijver. Ze zijn ronder, gladder en gemiddeld ook groter. Dat verklaart direct de toegenomen waskracht. Immers hoe groter en ronder de oliedruppeltjes zijn, hoe geringer, bij gegeven inhoud, hun gezamenlijke oppervlak is. En hoe minder detergent er zich dus rond de druppeltjes kan verzamelen.

Daarmee is het fenomeen geduid maar nog allerminst verklaard, want waarom zitten de oliedruppeltjes ineens zo strak in hun vel en waarom zijn ze zo groot? Na veel gepieker en reken zijn ze er in Jülich gedeeltelijk uit. De polymeren, die veel groter en beweeglijk zijn dan de detergenten, komen op het oppervlak van de oliedruppeltjes in de knel te zitten. Het apolaire kant drijft in de olie, de polaire kant in het water. De bewegingsruimte van beide strengen wordt beperkt door het grensvlak tussen olie en water. Hoe sterker dat grensvlak plaatselijk is gekromd hoe meer de bewegingsvrijheid van het polymeer wordt beknot. De thermodynamica van het systeem – zoals immer op jacht naar zo veel mogelijk chaos – verzet zich tegen deze inperking en dempt de beweging.

Vermoedelijk maken de polymeermoleculen aan het druppeloppervlak ook het omhullende laagje water iets stroperig, alsof er wat gelatine in opgelost is (ook een polymeer). Dit dempt de turbulentie nog eens extra. Aannemelijk is ook dat kleinste druppeltjes aaneensluiten tot grotere druppeltjes, eenvoudig omdat er anders voor de polymeren te weinig plaats is.

blokpolymeer

Het onderzoekscentrum Jülich is inmiddels in onderhandeling met fabrikanten van huishoudelijke en industriële schoonmaakproducten. De eerste testen met het blokpolymeer in hun producten zijn bemoedigend, meldt de chemicus Jürgen Allgaier, leider van het onderzoeksteam. Ook de cosmetica-industrie is geïnteresseerd. Hun crèmes en zalven bestaan uit suspensies van vetdruppeltjes in water die gestabiliseerd worden door detergenten. Die kunnen sterk teruggedrongen worden dankzij het polymeer. De polymeren zelf zijn bovendien vriendelijk voor de huid. Ze zijn eenvoudig te groot om naar binnen te dringen.

Simone van Egmond, bij TNO Reinigingstechnologie projectleider huishoudelijke reiniging, spreekt van een ``verrassende ontdekking uit een onverwachte hoek''. Ze vreest wel dat consumenten moeite zullen hebben met een druppeltje afwasmiddel. ``Mensen houden van een flinke kneep in de fles en willen dat het afwaswater overvloedig schuimt.''

Doorslaggevend is, wat Van Egmond betreft, dat het polymeer onschadelijk is voor het milieu. Daar is nog geen onderzoek naar gedaan. In Jülich wijst men er echter op dat de twee componenten waaruit het blokpolymeer is opgebouwd (een gemodificeerd polyethyleen en polyethyleenoxide) beide als milieuonschadelijk bekendstaan. Met de combinatie zit het dus vermoedelijk ook wel snor. De reductie van het zeepgebruik, komt het milieu beslist ten goede. Dus iedereen is geholpen met de uitvinding? ``Ja'', zegt Allgaier: ``Alleen de producenten van detergenten zullen mogelijk minder blij zijn met onze vinding.''