L'Oktoberfest est un événement culturel passionnant, mais c'est aussi une source d'inspiration pour les scientifiques et les ingénieurs des matériaux. Pas la bière elle-même, mais plutôt la mousse de bière est une source d'inspiration.

Une bonne tête de mousse – mesurant généralement environ 1,5 cm et contenant un impressionnant 1, 500, 000 bulles – est censé être un signe de qualité et de fraîcheur. Idéalement, cette tête mousseuse reste stable, mais plusieurs processus agissent pour déstabiliser les bulles :par exemple, drainage liquide de la mousse, fusion de bulles, ou tout éclater peut provoquer une déstabilisation rapide. Ce sont des problèmes génériques communs à tous les types de mousse, qu'il s'agisse d'aliments et de boissons ou de matériaux technologiquement avancés.

Modification indésirable de la texture

Un processus de déstabilisation, dans lequel les grosses bulles deviennent plus grosses et les plus petites rétrécissent et finissent par disparaître, est particulièrement difficile à arrêter. Les experts appellent ce processus "la maturation d'Ostwald, " du nom du chimiste allemand et lauréat du prix Nobel de 1909 Wilhelm Ostwald, qui a décrit ce phénomène pour la première fois il y a plus de 100 ans.

La maturation d'Ostwald provoque un changement indésirable dans la texture de la mousse de bière et des produits alimentaires en mousse, et cela affaiblit également les performances du produit dans de nombreuses autres situations. Atteindre la stabilité de la mousse et de l'émulsion représente donc un défi dans un large éventail d'applications de la science des matériaux, des produits de soins personnels aux matériaux fonctionnels avancés. "Les mousses - qu'il s'agisse de mousse de bière, crème glacée ou mousse pour l'isolation - ont tendance à grossir en raison de la fusion ou de la maturation de leurs bulles, " explique Jan Vermant, Professeur de matériaux souples à l'ETH Zurich.

Composants tensioactifs, comme certaines protéines dans les mousses de bière, peut généralement empêcher ou au moins ralentir le mûrissement en abaissant la tension superficielle, du moins à court terme. Mais ces composants ne peuvent assurer la stabilité à long terme des mousses, car ils ne font que ralentir le processus de maturation, mais ne peut pas l'arrêter une fois qu'il a commencé.

Vermant et son groupe ont maintenant adopté une nouvelle approche de ce problème de stabilité de la mousse et l'ont récemment publiée dans la revue PNAS .

"Pour la première fois, nous avons réussi à contrôler quantitativement l'arrêt de dissolution des bulles de mousse et à formuler de nouveaux, stratégies pourtant universellement valables. Ceux-ci aideront les industries alimentaires et des matériaux à développer des stabilisants contrôlés et plus efficaces afin d'empêcher ou d'arrêter le mûrissement d'Ostwald, " dit Vermant.

Le réseau de particules stabilise les bulles

Dans leur étude, les chercheurs sur les matériaux ETH ont montré comment des particules particulières agissent comme un stabilisateur et protègent les petites bulles contre le retrait. À des fins de test, les scientifiques ont utilisé des particules de latex de taille micrométrique et des particules en forme de grains de riz. Ces particules ont été choisies pour former une structure de réseau irrégulière à l'interface de la bulle.

Les chercheurs ont testé si ce réseau supporte suffisamment les bulles dans un arrangement microfluidique spécial. Ils ont pu enduire des bulles individuelles avec une quantité contrôlée du stabilisateur de particules, puis les exposer progressivement à des conditions de pression changeantes dans une mini chambre de pression, simulant ainsi la maturation d'Ostwald.

"Cela nous a permis de déterminer précisément la pression à laquelle la bulle commence à se rétrécir et finalement s'effondre, " dit Peter Beltramo, un postdoc dans le groupe de Vermant. Cette conception expérimentale particulière leur a permis de faire varier le nombre et la nature des particules recouvrant la bulle. Ainsi, ils pourraient relier le nombre de particules aux propriétés rhéologiques de la surface. Une limite d'élasticité de surface a été identifiée comme le paramètre principal qui doit être contrôlé.

Ils ont découvert que même des bulles partiellement recouvertes peuvent être aussi stables que celles complètement recouvertes de particules. Par conséquent, la quantité requise de stabilisant peut être prédite avec précision. "Nos découvertes permettront d'économiser beaucoup de matériaux et donc de réduire les coûts, " souligne Beltramo. De plus, les chercheurs ont découvert qu'une bulle revêtue peut résister à une pression beaucoup plus élevée qu'une bulle non revêtue.

Universellement valable

Les découvertes sur le rôle de la mécanique interfaciale sont universellement valables pour tous les matériaux avec de grandes surfaces ou pour des applications dans lesquelles les surfaces jouent un rôle important, dit Vermant. Par exemple, les idées et techniques de mesure développées sont appliquées à d'autres cas de stabilité des couches minces, par exemple dans des applications biomédicales telles que les films tapissant les alvéoles dans les poumons ou les films lacrymaux sur les yeux. "Ces films sont très stables, la stabilité étant conférée par des mécanismes similaires - développés par la nature, " dit Vermant.

Bien que les conclusions soient générales, ils présentent également un intérêt particulier pour l'industrie alimentaire. Les scientifiques peuvent désormais rechercher des stabilisants comestibles pour fabriquer des aliments mousseux, comme de la crème glacée ou même de la pâte à pain, dure plus longtemps. « Nous fournissons à l'industrie alimentaire et à d'autres entreprises des directives de développement et des outils de quantification qu'ils peuvent utiliser pour développer de nouveaux produits, " dit Vermant. Et en effet, la crème glacée a contribué à initier cette recherche, qui a été cofinancé par Nestlé. Encore, ce qui est bon pour la mousse de bière ou la crème glacée peut aussi être bon pour améliorer le béton. Incorporant petit, des bulles stables lui permettent de mieux résister aux cycles de décongélation et de congélation et le rendent plus léger. Ou comment penser à la bière peut guider la conception de nouveaux matériaux. À votre santé!