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Am gestrigen 5. Oktober 2010 sind die Nobelpreise in Physik für das Jahr 2010 bekannt gegeben worden. Andre Geim und Konstantin Novoselov teilen sich dieses Jahr den Preis für ihre Untersuchungen zu Graphen, welches als Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur in Bienewabenform auftritt und thermodynamisch gar nicht stabil sein dürfte.

Jedes Graphen-Kohlenstoffatom ist von drei weiteren umgeben, Graphit kann man sich als Übereinanderstapelung mehrerer Lagen Graphen vorstellen. Die Eigenschaften dieses Materials sind außergewöhnlich. Graphen-Flächeneinkristalle weißen innerhalb der Flächen eine außerordentliche Steifigkeit und Festigkeit auf, die Zugfestigkeit von Graphen ist die höchste bisher gemessene. Es ist für Licht des gesamten Spektrums beinahe vollständig durchlässig, weißt eine dem Kupfer vergleichbare elektrische Leitfähigkeit auf und leitet Wärme mit einer Effizienz, die ihresgleichen sucht.

Von der Halbleitertechnik mit neuen Transistoren, Sensoren, Displays oder Solarzellen bis hin zur Materialwissenschaft aus Kompositmaterialien mit erhöhter Festigkeit, leichterem Gewicht und Elastizität sind die denkbaren Anwendungen weit gestreut.

Wenn die Nächte länger und die Tage kürzer werden und der Herbst ins Land zieht, schlagen selbst im sonnenverwöhnten Südtirol die zahlreicheren Regentage aufs Gemüt. So gesehen könnte man das erhöhte Schlafbedürfnis und den Heißhunger auf Kohlenhydrate wie Schokolade im Grunde als ein Relikt des Winterschlafes ansehen, der mit Veränderungen im Hormonspiegel, der Herzfrequenz und dem Blutdruck einhergeht und eine monatelange Ruhephase einleiten soll.

Dass der “Deprikiller” Schokolade mit der Komponente Theobromin (“Götterspeise”) zumindest bei Menschen, Ratten und Mäusen positive Wirkung zeigt, ist wohl einer der Hauptgründe für seine Beliebtheit. Für wissenschaftsaffine Zeitgenossen lassen sich aber auch ein paar physikalische Eigenschaften der Schokolade anführen, die bei der berufsbedingten Lektüre von Eric Dickinsons “An Introduction to Food Colloids” ins Auge gesprungen sind.

Die Rheologie als “Fließkunde” ist Grundlage vieler Prozesse in Fertigung und Qualitätssicherung. Das rheologische Verhalten von Dispersionen bestimmt neben den Kosten bei Herstellung, Handling und Transport in vielen Fällen auch die Qualität des Endproduktes. Für Lebensmittel und Kosmetikprodukte ist das Verformungs- und Fließverhalten vielfach sogar essentiell in Bezug auf die Ästhetik und “sinnliche Ausstrahlung” des Endzustandes. Das “Feel” einer Kosmetik-Lotion oder die Konsistenz von Ketchup sind oftmals verantwortlich für Top oder Flop im Verkauf.

Nicht nur für Schokolade-Enthusiasten ist die Art und Weise des “Mundfeelings” ein wichtiger Aspekt. Ein großer Teil davon hängt mit den rheologischen Änderungen durch das Schmelzen des Fettes im Mund zusammen. Vom Prozess-Standpunkt aus steht die Forderung nach freiem Fließen bei hohen Scherraten und vernachlässigbarem Fluss bei niedrigen. Schokolade sollte sich also prinzipiell scherverdünnend verhalten, also bei hohen Scherkräften eine niedrigere Viskosität zu zeigen. Im Mund soll Schokolade also dünnflüssig, in der Verpackung dickflüssig sein.

Warum sind nun die Kolloide und die Rheologie der Kolloide relevant für die Schokolade? Geschmolzene Schokolade ist eine komplexe Multiphasen-Flüssigkeit aus festen fettfreien Anteilen (ca. 70% Volumenanteil für Zuckergranulat und zerstampfte Kakao-Bohnen) und Kakao-Butter. Milchschokolade enthält zudem feste Milchbestandteile und Milchfett. Geschmolzene Schokolade verhält sich wie ein scherverdünnendes Nichtnewtonsches Fluid mit Fließgrenze. Die Viskosität lässt sich über die Zugabe von Kakao-Butter steuern. Weitaus kostengünstiger erreicht man dasselbe Ziel auch unter Zugabe von Lezithin oder eines anderen Emulgators, der aus kleinen Molekülen besteht. Generell reagieren die rheologischen Eigenschaften von Schokolade sehr sensibel auf Lezithin, welches zunächst die Viskosität und die Fließgrenze reduziert, bei höheren Konzentrationen aber wieder erhöht. Die optimale Menge für eine passende Rezeptur liegt bei weniger als einem Zehntel des Anteils von Kakao-Butter, welcher benötigt werden würde, um denselben Effekt zu erzielen. Wahrscheinlich adsorbiert Lezithin auf den Zucker-Partikeln und verhindet so wirkungsvoll, dass diese Agglomerate bilden.

Bei der International Confectionary Association (ICA, ehemals IOCCC) lassen sich verschiedene Standardmethoden zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften von Kakao und seinen Derivaten einsehen.

Nachdem Regulus in seinem Blog schon darauf aufmerksam gemacht hat, soll auch hier verkündet werden, dass Siegfried Woll, seines Zeichens Rutengänger, Fern-Muter und medialer Lebensberater, am 1. September um 19.30 Uhr im Kultur- und Vereinshaus von Tramin einen Vortrag zum Thema “Zurück zur Gesundheit” hält. Das Eintrittsgeld nimmt sich mit 7 € ähnlich bescheiden aus wie jenes von Braco im März in Vahrn.

Wer es sich nicht nehmen oder besser gesagt doch nehmen lassen will, kann sicher auch gleich eine Begehung seiner Räumlichkeiten buchen, es gibt sicher genug Leute, die von einer Tante der Schwester eines Freundes einer Bekannten wissen, welche sich das Schlafzimmer auspendeln hat lassen und seitdem Ihr Bett ins Treppenhaus gestellt hat und viel besser schläft.

Der ein oder andere vielleicht lässt sich aber doch umstimmen, auch wenn der wissenschaftliche Zugang zum Phänomen Wünscherule, Geomantie und Elektrosmog eher ernüchternd ist.

Die Schreckensmeldungen der letzten Tage über den Säuglingstod in Mainz führen es deutlich vor Augen: Hygiene und Reinlichkeit sind auch 160 Jahre nach Ignaz Semmelweis’ wegweisenden Hygienevorschriften in Krankenhäusern nach wir vor eine große Herausforderung. EU-weit sterben pro Jahr 37.000 Patienten an einer im Krankenhaus zugezogenen bakteriellen Infektion, 111.000 an den indirekten Folgen.

Escherichia coli aus der Gattung Enterobacter.

Das minutenlange Ritual der chirurgischen Händedesinfektion kostet Zeit und ist bei Millionen von chirurgischen Eingriffen im Jahr eben auch fehleranfällig.

Gregor Morfill hat mit seiner Gruppe am Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik in Garching einen Plasmaspender entwickelt (G. E. Morfill et al., New J. Phys. 11, 115019 (2009), “Nosocomial infections – a new approach towards preventive medicine using plasmas”), der etliche der Probleme der klassischen Desinfektion nicht aufweist.

Ansicht des Plasmaspenders mit Blick auf die Elektroden.

Über eine geerdete Maschenelektrode erzeugt eine Wechselspannung von 18 kV ein Plasma aus der Umgebungsluft, welches aus einer Reihe von angeregten Molekülen und Atomen besteht und innerhalb weniger Sekunden die Anzahl von Krankheitserregern wie Bakterien oder Pilze um mehrere Größenordnungen verringert. Dies geschieht sowohl über die reine mechanisch Zerstörung der Erreger durch das elektrostatische Feld aus auch die Einwirkung reaktiver Moleküle und Ionen (NO, OH, H₂O₂ und andere) auf Proteine, Fette, Membranen und DNA der Bakterien. Schließlich schädigt die entstehende UVC-Strahlung die DNA noch zusätzlich. Alle diese Einwirkungen nehmen keinen Einfluss auf die eukaryotischen Zellen des menschlichen Gewebes. Selbst hinter Textilien zeigt das Plasma Wirkung. Der Plasmaspender erfüllt alle Grenzwerte der Weltgesundheitsorganisation in Bezug auf Toxizität und elektromagentische Strahlung und sollte sich sogar auf die Desinfektion von chronischen Wunden übertragen lassen.

Im Britischen Ost-Afrika arbeitete man Ende des 19. Jahrhunderts unter widrigsten Umständen an der ersten Eisenbahnlinie Afrikas. Der Film “Bwana Devil” sollte die schwierigsten Bedingungen dieses Unterfangens ins Kino bringen, in Farbe und in 3D.

Für die 3D-Projektion kam das frisch entwickelte „Natural Vision“-System zum Einsatz, welches auf 2 separaten Bildstreifen und mit 2 gekoppelten und synchronisierten Projektoren ein Stereo-Bild zur Anzeige bringt. Billige Polarisationsbrillen sorgen für den 3D-Effekt, der aber über die abstruse Handlung nicht hinwegtäuschen konnte. Nach dem ersten Hype verschwand 3D spurlos aus den Kinos, auch wenn es beständige Versuche gab, die 3D-Projektion zu etablieren.

Erst mit den aktuellen Produktionen des letzten Jahres ließ sich ein markttechnischer Durchbruch erkennen, der ausgehend von “Final Destination 4″ in “Avatar – Aufbruch nach Pandora” gipfelt und alle bisherigen Einspielrekorde brach.

3D-Bilder benötigen neben der Amplitude auch eine Phaseninformation, weshalb von jeder Filmszene 2 parallele Bildsequenzen aufgenommen werden müssen. Für die herkömmliche 3D-Technik (Imax-3D) kamen 2 Projektoren simultan zum Einsatz, die genau synchron 2 Kopien des jeweiligen Films mit unterschiedlicher linearer Polarisation abspielen. Damit bei der diffusen Reflexion an nichtmetallischen Oberflächen die Polarisation nicht gestört wird, muss ein metallische Leinwand zum Einsatz kommen (ideal eignet sich Silber). Metalle haben nämlich die Eigenschaft, die Polarisationsebene von Licht, das parallel oder senkrecht zur Einfallsebene linear polarisiert ist, nicht zu ändern. Neben der problematischen Synchronisation der beiden Spuren kommt es bei Kopfbewegungen auch zu störenden Geisterbildern, Filmrisse sind sehr problematisch, da immer beide Kopien exakt gleich geschnitten werden müssen.

Die digitale Technik ermöglicht seit einiger Zeit einige technische Alternativen. Das digitale Videosignal liefert 24 Bilder pro Sekunde. Da jedes Auge nur jedes 2. Bild sieht, kommt jedes Einzelbild 3 mal hintereinander zu Anzeige, um eine augenfreundliche und flimmerfreie Bildwiederholrate von 72 Hz zu erzielen. Die 3 digitalen 3D-Techniken nutzen alle nur einen einzigen Projektor.

Beim RealD-Verfahren erzeugt ein LCD-Display vor dem Projektor aus 144 Einzelbildern pro Sekunde abwechselnd ein Bild für das linke und rechte Auge, die beide gegenläufig zirkular polarisiert sind. In den Brillen der Zuschauer sorgt ein λ/4-Plättchen dafür, dass aus dem zirkular polarisierten Licht linear polarisiertes wird, ein zusätzliches Polfilter bewirkt, dass das Auge nur die zugehörige Bildinformation zu sehen kriegt. Wegen dem zirkular polarisierten Licht sind Kopfbewegungen unkritisch, damit die Polarisationsrichtung erhalten bleibt, wird eine Silberleinwand benötigt.

Bei XPanD kann man auf die teure Silberleinwand verzichten, der Kinosaal bleibt auch für normale 2D-Filme nutzbar. Diese Verfahren projiziert die 144 Bilder einfach abwechselnd für das linke und das rechte Auge, eigene Shutter-Brillen mit LCD-Display, die über eine Infrarot-Verbindung mit dem Projektor synchronisiert werden. Mit der damit notwendigen Batterie für die Stromversorgung und der aufwändigeren Technik passen sie nicht so recht in unsere Wegwerfgesellschaft.

Dolby 3D wiederum greift tiefer in die Trickkiste und fußt auf der Tatsache, dass das menschliche Auge auch spektral schmalbandige Bilder noch als farbtreu wahrnimmt, wenn nur das Mischungsverhältnis der 3 Grundfarben stimmt. Für beide Augen werden über spezielle Triple-Bandfilter mit 20 nm Breite geringfügig unterschiedliche Wellenlängen der originalen Bildinformation gefiltert und auf die Leinwand projiziert. Das Gehirn des Zuschauers ordnet nun über abgestimmte Bandfilter in der 3D-Brille die Einzelbilder wieder dem richtigen Auge zu. Steile Kanten in den Interferenzfiltern eliminieren Geisterbilder, auf eine Silberleinwand kann verzichtet werden. Farbverschiebungen für weit abseits der Leinwand-Mitte sitzende Zuschauer werden durch gewölbte Filter vermieden.