Unterstützung durch die Materialwissenschaften: leicht entfernbarer Kaugummi Understand article

Übersetzt von: Anne Käfer. Halina Stanley untersucht die Geschichte des Kaugummis, wie die Chemie des Gummis sich auf seine Eigenschaften auswirkt und wie Wissenschaftler dieses Wissen benutzen, um den Kaugummi umweltfreundlicher zu machen.

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Ob es dir gefällt oder nicht, Kaugummi zu kauen ist eine allgegenwärtige und im Allgemeinen gutartige Aktivität. Gutartig, das heißt, bis irgendein Idiot sich entscheidet dir etwas in dein Haar zu tun. Wäre es nicht schön, wenn der Gummi nicht an Teppichen, Schuhen und unter Schultischen kleben würde? Terry Cosgrove, Chemieprofessor an der Universität in Bristol, England, hat sich entschlossen einzugreifen; sein leicht entfernbarer Kaugummi könnte Millionen Reinigungsrechnungenw1, einsparen.

Die Klebrigkeit von Kaugummi mag zwar ein unerwünschter Nebeneffektw2 sein, aber kaugummiartiges Verhalten ist eine sehr wünschenswerte Eigenschaft. Kaugummihersteller – und Erzählungen von alten Frauen – schlagen vor, dass Kaugummi dabei hilfreich sein kann den Blick, die Konzentration und die Aufmerksamkeit zu verbessern, Stress zu reduzieren und Gewichtsverlust zu fördern; es gibt sogar Versionen, dass es hilft mit dem Rauchen aufzuhören und Seekrankheiten vorzubeugen. Es gibt sogar Behauptungen aus dem Marketing, dass Kaugummi deutlich Zahnverfall und Mundgeruch reduzieren kann. Jedoch schlägt eine „wissenschaftliche“ Umfrage von zwei High-School-Studenten, ausgeführt von der Autorin, vor, dass Kinder Gummikauen tatsächlich als Ersatzaktivität zu Füller- oder Bleistiftkauen sehen; Kauen scheint ein allgemein menschliches Bedürfnis zu sein.

Nun, was ist Kaugummi? Historisch war es einfach Harz, das von Bäumen ausgeschwitzt wurde. Auf der Yucatan Halbinsel in Zentralamerika z.B. extrahieren die Amerindians (Ureinwohner) Gummi von einem tropischen immergrünen Baum, der Manilkara Chicle genannt wird. Vor mehr als 1000 Jahren machten sie Schnitte in den Stamm, sammelten die Tropfen des Gummis und erhitzten sie solange, bis sie eine geeignete Festigkeit für das Kauen erhielten. Das Wort „Chicle“ beschreibt einfach einen klebenden Stoff in der alten Sprache der Nahuatl Azteken.

Manilkara Kaugummibaum mit
Schnitten um den Saft zu sammeln

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Aber Gummi zu kauen ist nicht – jedenfalls ursprünglich – eine rein amerikanische Angelegenheit: Europäische Steinzeitmenschen benutzten den Kaugummi ebenfalls. Im Jahr 2007 fand Sarah Pickin von der Derby-Universität in England ein 5000-Jahre altes Stück Gummi, vollständig mit fossilierten Zahnmarkierungen, bei einer archäologischen Ausgrabung in Finnlandw3. Dieser Gummi wurde von Steinzeitmenschen aus Birken extrahiert und wurde erhitzt, um eine Art Teer zu formen, der fest wurde, wenn er kalt wurde, aber weicher, wenn er erwärmt wurde. Es scheint so, als ob er als Klebstoff benutzt wurde, um Kochtöpfe zu reparieren oder um Pfeilspitzen zu kleben, aber natürlich auch zum Kauen. Professor Trevor Brown, Sarahs Dozent an der Derby-Universität, sagt, dass dieser Gummi natürliche antiseptische Bestandteile enthält, so dass Jungsteinzeitmenschen ihren eigenen medizinischen Kaugummi gehabt haben, um Mundinfektionen zu behandeln.

Chicle und andere Baumsäfte – inklusive Latex, aus dem natürlicher Gummi produziert werden kann – sind natürliche Polymere. Diese Polymere – Polyterpene – sind aus tausenden C5H8Isopren-Untereinheiten zusammengesetztw4. Abhängig von den Baum– oder Pflanzenarten, können die natürlichen Polymere mehr oder weniger stark verzweigt sein, verschiedene Größen (Molekulargewichte) haben und vermischt sein mit verdampfbaren, essentiellen Ölen, die alle zu unterschiedlichen Geschmeidigkeiten und Elastizitäten führen. (Die Einflüsse der chemischen Struktur auf die physikalischen Eigenschaften können leicht im Klassenzimmer untersucht werdenw5.) Diese klebrigen Flüssigkeiten können gehärtet werden durch das Einführen von Vernetzungen in die Polymeren; dieser Prozess kann untersucht werden durch das Hinzufügen von Natriumtetraboratlösung zu Polyvinylalkohol als weißem Klebstoff. Arbeitsblätter für dieses klassische Experiment können auf Webseitenw6 gefunden werden und es ist interessant, den Einfluss der unterschiedlichen Vernetzungsdichte (durch das Ändern des Verhältnisses von Natriumtetraborat zu Klebstoff) zu beobachten.

Obwohl die erste Kaugummifabrik, die in den USA 1870 eröffnet wurde, Saft vom Manilkara Chicle Baum als Gummibasis benutzte, verwenden moderne Kaugummis synthetische Polymere. Bei einem Verbrauch von atemberaubenden 50 Milliarden Gummistäbchen im Jahr allein in den USA (ungefähr 170 Stäbchen pro Kopf im Jahr) ist es keine brauchbare Option, ausschließlich auf die tropischen Wälder zu vertrauen, um sich mit dem Rohstoff zu versorgen. Einige Zubereitungen könnten auch natürliche Zutaten enthalten – aber an Daten ist schwer heran zu kommen, da sie als Geschäftsgeheimnisse streng gehütet werden. Stattdessen wird die synthetische Polymergummibasis, die im handelsüblichen Kaugummi benutzt wird, nachgeahmt und die Eigenschaften der Polymeren werden optimiert; sie sind inaktiv, unlöslich und tragen nicht zur Ernährung bei. Diese Polymere werden aus Erdölprodukten, zu denen Zucker (oder ein Süßstoff wie z.B. Aspartam) und andere Aromastoffe hinzugefügt werden, synthetisch hergestellt. Farbstoff (traditionell glänzend Pink für Kaugummi) ist der einzige Zusatz, es sei denn, der Gummi wird zur medizinischen Anwendung, z.B. zur Rauchentwöhnung, benutzt, da diese Gummis offensichtlich einen Wirkstoff (z.B. Nikotin) in wasserlöslicher Form enthalten.

Manilkara Kaugummibaum
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Die Zubereitung der Gummibasis, so dass sich die richtige Klebrigkeit (Elastizität) und Geschmacksentwicklung ergibt, ist komplex und hängt von den gewünschten elastischen Eigenschaften ab (z.B. ist Bubblegum elastischer als gewöhnlicher Kaugummi). Er enthält verschiedene Elastomere (um die Elastizität zu verbessern), Kunstharze, die als Binder fungieren, Füllstoffe, die insgesamt zur Konsistenz beitragen und dabei helfen können, einen kalorienarmen Gummi unter Erhöhung der Masse zu schaffen, ohne dem Gummi Nährstoffe hinzuzufügen, und Weichmacher, um die Mixtur weich zu machenw7.

Der Hauptbestandteil ist typischerweise eine Mischung aus synthetischen Elastomeren wie z.B. Polyisobutylen, Isobutylen-Isopren-Copolymeren (Butylgummi), Styrol-Butadien-Copolymeren und Polyvinylacetat – von einigen von ihnen hast du vielleicht im Zusammenhang mit Autoreifen schon einmal was gehört. Diese Polymere sind alle in Wasser unlöslich, hydrophob (wasserabweisend) und nicht biologisch abbaubar. Das erklärt, warum das Rubbeln mit Wasser auf dem Teppich den Kaugummi nicht entfernt. Das Einweichen in Wasser würde auch nicht helfen. Und wenn der Gummi an einer Betonmauer oder einem Pflasterstein klebt, würde ihn der Regen auch nicht entfernen.

Wenn ein Stuck Gummi gekaut wird, wird der wasserlösliche Teil (Zucker und Aromastoffe) allmählich freigesetzt, während die Polymerbasis (Kunststoff) übrigbleibt. Nach einer Weile wird der Gummi geschmacklos, da alle Aromastoffe freigesetzt worden sind; die Gummibasis löst sich niemals auf. Die Wärme des Mundes weicht die Gummibasis auf und macht ihn formbarer, aber sie verändert sich nicht wirklich und wird beim Abkühlen wieder hart werden (obwohl sie zäher werden könnte, wenn einige Weichmacher freigesetzt werden). Um die besten Kaugummiblasen zu erzeugen, kaue solange, bis der ganze Zucker freigesetzt ist und nur noch die dehnbare Polymerbasis übriggeblieben ist: Zucker ist kein Polymer, er dehnt sich nicht und kann dazu führen, dass die Blasen vorzeitig zusammenfallen.

Um zur Ausgangsfrage zurückzukommen: Warum klebt Kaugummi an so vielen Oberflächen? Die Wissenschaft der Adhäsion ist kompliziert (siehe Box) und in Bezug auf Kaugummi sind wahrscheinlich sowohl mechanische Effekte als auch chemische Bindungen beteiligt. Jedoch, was auch immer der Klebemechanismus ist, müssen die zwei Oberflächen in engem Kontakt sein, sich gegenseitig benetzen („Benetzen“ beschreibt den Kontakt zwischen einer Flüssigkeit und einer festen Oberfläche, resultierend aus intermolekularen Wechselwirkungen), bevor sie haften. Für weichen Kaugummi trifft das genau zu. Und wenn er einmal klebt, wird die Energie, die man für das Ziehen aufwendet, nicht für das Aufbrechen der Bindungen, die den Gummi an der Oberfläche halten, verwendet (wie man es gerne hätte); stattdessen gleiten und dehnen sich die Polymermoleküle im Gummi. Das ist oberhalb einer bestimmten Temperatur eine allgemeine Eigenschaft von Polymeren; die verschlauften Moleküle tendieren dazu Krümmungen zu haben, die durch ein kleines Ziehen ausgerichtet werden können. (Man kann die Dehnung der Polymeren im Klassenzimmer darstellen, indem man Polyethylenbeutel benutztw8). Wie hilft uns dieses Wissen Kaugummi weniger klebrig zu machen?

Adhäsion

Es gibt viele Möglichkeiten, wodurch Dinge kleben. Diese umfassen:

  • Mechanisches Ineinandergreifen, wie es mit Klettband oder Leim passiert, der in Risse und Spalten des Substrats fließt und dann härtet, wobei das Substrat physikalisch verschlossen wird.
  • Intermolekulare Anziehungen (z.B. Wasserstoffbindungen und Van-der-Waals-Kräfte). Geckos sind bekannt dafür über vertikale Wände (sogar Glas) zu flitzen. Jeder ihrer Füße ist von 500000 Haaren bedeckt, welche durch schwache Van-der-Waals- Kräfte an Oberflächen haften (Autumn et al., 2000). Die Haftung des Fußes des Geckos an der Mauer muss umkehrbar sein (Stell dir den armen Gecko vor, wenn es nicht so wäre), so ist es eine gute Strategie; die Kräfte sind schwach, aber der Gesamteffekt der 500000 Haare ist es nicht ; beim Ablösen seiner Füße von den Oberflächen kann der Gecko die Kräfte nach und nach aufbrechen.
  • Die Bildung von chemischen Bindungen (kovalent oder ionisch). Muscheln, die im Gegensatz zu Geckos keine besonders beweglichen Geschöpfe sind, kleben bei stürmischem Wetter an Felsen fest, indem sie ziemlich starke kovalente Bindungen eingehen. Und einige Klebstoffe gehen kovalente oder ionische Bindungen mit Oberflächen ein, obwohl die genauen Details wohl Geschäftsgeheimnisse bleiben.
  • Interdiffusion an der Grenzfläche. Das führt generell zu sehr starker Haftung, weil die beiden Materialien auf molekularem Niveau gemischt werden. Einige Materialien interdiffundieren in bestimmtem Ausmaß – zwei ähnliche Polymere werden bei einer angemessenen Temperatur interdiffundieren. Der Vorgang ist wichtig bei Metall/Metall-Kontakten und Metall/Metalloxiden.
  • Elektrostatische Anziehung. Wissenschaftler am US- National Institute of Standards and Technology (NIST) untersuchen gegenwärtig die Möglichkeit, elektrostatische Ladungen zu nutzen, um die Halbleiter zu verbinden.

Die Dehnbarkeit von Kaugummi zu reduzieren ist keine sinnvolle Strategie; wer wird einen springenden Ball kauen wollen? Stattdessen hat Professor Cosgrove ein hydrophiles Polymer in die Gummibasis eingebaut. Wenn der Gummi gekaut wird, saugt das hydrophile Polymer Speichel auf und macht den Gummi weich. Es wandert dann zur Oberfläche. Das bedeutet, dass nach dem Kauen immer ein dünner Wasserfilm auf der Oberfläche des Kaugummis ist. Der durchgehende Wasserfilm legt sich zwischen den Gummi und jede Oberfläche und vermeidet engen Kontakt und so das Kleben des Gummis. Nicht ganz. Wenn ein hydrophiles Polymer einfach hinzugefügt würde, würde es sich nicht mit der Gummibasis mischen (genauso wie man Wasser und Öl nicht mischen kann). Stattdessen muss ein Copolymer eingesetzt werden (ein Polymer, welches aus zwei Arten Monomeren gemacht ist oder Blöcke bildet), das sowohl hydrophile wie auch hydrophobe Anteile hat; das muss vorsichtig zugefügt werden, um Phasentrennungw9. zu vermeiden. Lackfabrikanten benutzen einen ähnlichen Trick; sie mischen die elastischen Polymeren, die zu einer wasserresistenten Beschichtung trocknen, mit Wasser unter Verwendung dieser Art von Copolymerenw10.

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Die Zugabe des hydrophilen Polymeren hat auch einen anderen Vorteil. Gewöhnlicher Kaugummi ist in der Umwelt ziemlich resistent; er lässt sich nicht in Regen auflösen und er tendiert dazu, durch Witterungseinfluss hart zu werden, was ihn zu einem ständigen Umweltverschmutzer macht (denk an jene grauen Blasen auf dem Fußboden!). Im Gegensatz dazu baut sich Gummi mit einem hydrophilen Polymer (die nichtklebende Variante von Kaugummi) in der Gegenwart von Wasser langsam ab.

Obwohl das Copolymer, welches für nicht-klebenden Kaugummi verwendet wird, patentiertw11, ist, ist das Team immer noch dabei, die genaue Zusammensetzung der Gummibasis zu verbessern. Bis jetzt haben sie mehr als 200 verschiedene Zubereitungen getestet – Soviel ich weiß, war Violet Beauregarde eine der ersten Angestellten (siehe Charlie und die Schokoladenfabrik von Roald Dahl). Zusätzlich zu den üblichen Polymerparametern Molekulargewicht, Verzweigungsgrad und Vernetzungsdichte hat das Team das hydrophile/hydrophobe, schizophrene Copolymer optimiert. Wenn das Polymere eine zu hohe Affinität zu Wasser hat, könnte der Gummi zu weich werden. Die falsche Zusammensetzung und der Gummi könnte im Mund auseinander fallen oder dennoch auf Oberflächen kleben. Das Team scheint zuversichtlich zu sein, dass ein Produkt in naher Zukunft Marktreife erlangt. Ich drücke die Daumen, dass es den Durchbruch schafft – andernfalls müssen wir haftabweisende Oberflächen an die Unterseite aller Schultische machen.

Danksagung

Ich möchte mich bei Professor Cosgrove für die nützlichen Diskussionen und das kritische Lesen dieses Manuskripts bedanken.


References

  • Autumn K et al (2000) Adhäsionskraft eines einzelnen Gecko-Fußhaares Nature 405: 681-685. doi: 10.1038/35015073. Lade den Artikel kostenfrei von der Science in School-Website runter oder abonniere Nature: www.nature.com/subscribe
  • In Roald Dahl´s beliebtem Kinderbuch „Charlie und die Schokoladenfabrik“ ist Violet Beauregarde ein abscheuliches Kind, das süchtig nach Kaugummi ist.
  • Dahl, R (2007 und früher) Charlie and the Chocolate Factory. Puffin Books, London, UK. ISBN 978-0141322711

Web References

  1. http://waynesword.palomar.edu/ecoph13.htm
  2. http://en.wikipedia.org/wiki/Chicle
  3. http://en.wikipedia.org/wiki/Terpene
  • w5 – Die Beschreibung, wie sich die Eigenschaften von Polymeren und Kunststoffen verändern (Aktivitätsnummer 3.1.5), kann von der Internetseite der Royal Society of Chemistry (UK) heruntergeladen werden: www.chemsoc.org/networks/learnnet/inspirational
  • w6 – Informative Internetseiten über Versuche mit Polyvinylalkohol und Natriumtetraborat (Borax) enthält:
  1. www.chemsoc.org/networks/learnnet/inspirational (Experiment 3.1.8, ‘Investigating cross-linking, making slime’)
  2. www.iop.org/activity/education/Events/
  3. Events%20for%20Teachers/Schools%20Physics%20Group/file_5747.doc
  4. http://pslc.ws/macrog/activity/ball/lev3/level3p.htm
  • w7 – Lerne mehr über die Basis von Kaugummi auf der Gumbase – Internetseite: www.gumbase.com
  • w8 – Eine interessante Beschreibung (Experiment 3.1.6, „Polyethylensäcke“), um das Dehnen von Polymeren zu verstehen, kann auf der Internetseite der Royal Society of Chemistry gefunden werden: www.chemsoc.org/networks/learnnet/inspirational
  • w9 – Ein Video, wie die Gummibasis gemacht wird („Sauberen Gummi machen“), findet man hier: www.revolymer.com
  • w10 – Polyinylacetat-Copolymere (ein wasserunlösliches Polymer) mit Polyvinylalkohol (einem hydrophilen Polymer), die in der Lackindustrie benutzt werden, werden hier sehr gut beschrieben: http://pslc.ws/macrog/pva.htm
  • w11 – Das Patent (WO2006/016179, „Polymermaterialien mit verringerter Klebrigkeit, Methoden um die Materialien herzustellen und Kaugummimischungen, die solche Materialien enthalten“) kann auf der Internetseite der World Intellectual Property Organization www.wipo.int/pctdb/en/
  • wo.jsp?wo=2006016179&IA=WO2006016179&DISPLAY=STATUS nachgelesen werden.

Resources

  • Dem Vorschlag der Autoren zum Testen von Kaugummi folgend, warum werfen wir nicht einen Blick auf die Geschmacksprüfung von Schokolade von Science in School?
  • Schollar J (2006) The chocolate challenge. Science in School 2: 29-33. www.scienceinschool.org/2006/issue2/chocchallenge
  • Für eine hochinteressante Hintergrundlektüre über die Kaugummiindustrie, siehe:Redclift M (2004) Chewing Gum: The Fortunes of Taste. New York, NY, USA: Routledge. ISBN: 978041594418und ‘All About Chewing Gum’: www.wrigley.com/wrigley/kids/kids_report.asp

Author(s)

Halina Stanley ist eine ausgebildete Physikerin, die für Exxon in New Jersey, USA, und ICI in Großbritannien gearbeitet hat. Während sie für ICI arbeitete, verbrachte sie sehr viel Zeit, um die Trocknung von Lacken zu beobachten (Dulux® Sortiment) und half dabei, Polymermischungen für die kontrollierte Wirkstofffreigabe zu entwickeln (dieser Teil der Firma ist jetzt AstraZeneca). ICI ist jetzt Teil von AkzoNobel. Halina war Vertreterin von ICI am Rutherford Appleton Laboratory in Oxfordshire, UK, wo sie in der Materialforschung unter Verwendung von Neutronenstreuung, inklusive eines Experiments mit Professor Cosgrove, mitwirkte.

Halina hat in den letzten sieben Jahren an der American School of Grenoble, Frankreich, Physik, Chemie und Mathematik für Secondary-School-Schüler unterrichtet.


Review

Das ist ein neuer Weg für Lehrer bei den Schülern beliebt zu werden: kaufe viele verschiedene Kaugummis! Lass die Schüler die Experten bei der Beurteilung verschiedener Marken sein – vielleicht beim Vergeben von Noten für Kauverhalten, Dauer des Geschmacks und der Konsistenz. Lies den Artikel und diskutiere die chemischen Ausdrücke, die benutzt werden. Zum Schluss versuche einen eigenen, leicht entfernbaren Kaugummi zu machen.


Solve Tegner Stenmark, Norwegen




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