Revolutionäre Entdeckung: Forscher haften Lebensmittel an Metall mit Elektrizität
Im Labor von Srinivasa Raghavan an der University of Maryland, USA, sind Lebensmittel normalerweise verboten. Allerdings hat sein Team kürzlich untersucht, wie gut Hühnerfleisch, Blaubeeren und Bananen an Metall- oder Graphitelektroden haften, nachdem sie kurzzeitig einem elektrischen Feld ausgesetzt wurden. Das Team hat auch verschiedene Proben von synthetischen und natürlichen Hydrogelen, wie beispielsweise Gelatine und Alginat, untersucht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Ziel darin bestand, weiche Materialien mit einem hohen Wassergehalt an feste Oberflächen zu haften. Die Ergebnisse haben die Forscher selbst überrascht. Nicht nur waren die Haftversuche für viele verschiedene Kombinationen erfolgreich, sondern der Effekt konnte auch durch die Anwendung einer entgegengesetzten Spannung rückgängig gemacht werden. Die Verbindungen wiesen eine Mindesthaltbarkeit von mehreren Monaten auf – wie in der Studie dokumentiert wurde – und waren wasserbeständig.
Die Ergebnisse der kürzlich im Fachblatt ACS Central Science veröffentlichten Tests könnten zukünftig in den Bereichen Robotik, Medizin und als innovativer Batterietyp Anwendung finden. Raghavan bemerkt, dass es merkwürdig ist, dass dieses vergleichsweise einfache Phänomen erst jetzt entdeckt wurde. Bisher scheint es keine systematische Untersuchung dazu gegeben zu haben. Innerhalb seines Teams stellten die Experimente jedoch einen weiteren logischen Fortschritt dar.
Der Forscher erklärt, dass sie bereits seit langer Zeit mit Gelen und Elektrizität arbeiten. Unter anderem haben die Forscher herausgefunden, dass mithilfe von Elektrizität Hydrogele an biologischem Gewebe haften bleiben können. Wie die Forscher in der Zeitschrift Nature im Jahr 2021 berichteten, könnte diese Entdeckung möglicherweise in Zukunft zur Entwicklung von Gelpflastern beitragen, die bei der Wundheilung unterstützen.
Um ihre neuen Experimente durchzuführen, haben die Wissenschaftler Proben von wasserreichen Materialien zwischen zwei Platten aus Metall oder Graphit platziert und eine elektrische Spannung angelegt. Bei den Versuchskörpern handelte es sich unter anderem um Hydrogele, geschälte Bananen, Äpfel und Weintrauben sowie um Gewebeproben von Hühnern, Schweinen und Rindern. Darüber hinaus haben die Wissenschaftler verschiedene Metalle untersucht und beobachtet, welche Auswirkungen unterschiedliche Spannungen und Elektrisierungszeiten hatten.
Beispielsweise konnte eine zylinderförmige Hydrogelprobe auf Acrylamidbasis mit einer Höhe von fünf Zentimetern, einem Durchmesser von zwei Zentimetern und einem Gewicht von 30 Gramm bereits nach einer dreiminütigen Exposition bei einer Gleichspannung von fünf Volt fest an der positiven Graphit-Elektrode haften. Die Haftung war derart fest, dass das Gel beim Versuch der Trennung zerfetzt wurde. Wenn eine Spannung mit entgegengesetztem Vorzeichen angewendet wurde, hat sich die Verbindung hingegen ohne Schäden gelöst. Ohne weitere Interventionen konnte der Haftungseffekt der Proben über mehrere Monate hinweg aufrechterhalten werden.
Gemäß der Studie wurde erwähnt, dass das Material nicht austrocknen darf, da es sonst an der Luft schrumpft und die Verbindung sich löst. Während der Experimente hat das Team einige allgemeine Zusammenhänge festgestellt. Sie berichten, dass die Haftkraft mit steigender Spannung, der Zeit im elektrischen Feld und der ionischen Leitfähigkeit des Gels zunimmt. Letztere kann durch Zugabe von Salz erhöht werden. Salze setzen sich aus Ionen mit entgegengesetzter Ladung zusammen und fungieren daher als Ladungsträger. Ein bekanntes Beispiel dafür ist Kochsalz, das aus positiv geladenen Natriumionen und negativ geladenen Chloridionen besteht.
Jedoch konnte keine generelle Aussage darüber getroffen werden, an welcher Elektrode welches weiche, wasserreiche Material haftet. Ein Beispiel dafür ist, dass Tomaten, Rind- und Hühnerfleisch nach der Exposition gegenüber Elektrizität am Pluspol haften blieben, während Äpfel und Schweine am Minuspol hafteten. Im Gegensatz dazu hafteten Bananen, Zwiebeln und Kartoffeln sowohl an den Metall- als auch an den Graphitelektroden, ebenso wie ein Gel aus Gelatine. Nachdem diese Verbindungen hergestellt wurden, konnten sie auch durch eine Umkehr der Spannung nicht mehr gelöst werden.
Bei anderen getesteten Materialien wie Weintrauben, Blaubeeren oder Gurken konnte kein Klebeeffekt beobachtet werden. Die Wissenschaftler haben den Verdacht geäußert, dass dies auf einen niedrigen Salzgehalt und damit auf einen Mangel an elektrisch leitfähigen Ionen zurückzuführen ist. Zudem wurden auch Unterschiede zwischen den verschiedenen Metallen festgestellt. Nach Anlegen einer Gleichspannung hafteten Kupfer, Blei und Zinn beispielsweise mit dem Gel auf Acrylamidbasis zusammen, während Nickel, Eisen, Zink und Titan keine Haftung zeigten.
Die Forscher schließen darauf, dass dieses Phänomen mit den elektrochemischen Vorgängen an den Grenzflächen in Verbindung stehen muss. Die Metalle, die den Haftungseffekt aufweisen, sind von höherer Edelheit im Vergleich zu anderen und geben Elektronen nicht so leicht ab. Die Hypothese der Forscher besagt, dass die angelegte Spannung hauptsächlich oxidierend auf das Gel wirkt, was den Klebeeffekt verursacht.
Das Konzept der Elektroadhäsion ist schon seit längerem bekannt. Schon in den 1920er Jahren berichteten die dänischen Ingenieure Frederik Alfred Johnsen und Knud Rahbek, dass bestimmte poröse Materialien durch elektrische Polarisation an Metallen haften bleiben. Um ihre Experimente durchzuführen, nutzten sie hohe elektrische Spannungen. Aufgrund dieser Interaktionen luden sich die Materialien an den Grenzflächen mit entgegengesetzten elektrischen Ladungen auf und zogen sich dann ähnlich den Polen eines Magneten aneinander.
Schlagwörter: Srinivasa Raghavan + University of Maryland + USA
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