Schokolade ist eine Süßigkeit, die aus Kakaobutter, Zucker und anderen Zutaten besteht. Diese Zutaten bestimmen nicht nur den Geschmack, sondern auch die optischen Eigenschaften von Schokolade, das heißt das Ausmaß, wie gut Licht von der Schokolade reflektiert oder absorbiert wird. Dies haben Forscher in der Schweiz untersucht und in einer Studie die Wechselwirkung zwischen Licht und Schokolade in den unterschiedlichen Schokoladensorten erforscht. Und wie genau funktioniert das?

Lichtpolarisation

Licht kann als eine elektromagnetische Welle betrachtet werden, die eine Ausbreitungs- und eine Schwingungsrichtung hat. Unpolarisiertes Licht, wie zum Beispiel Sonnenlicht oder das Licht aus einer konventionellen Lampe, breitet sich im Raum in alle Richtungen aus und hat keine bevorzugte Schwingungsrichtung. Man kann aber eine bestimmte Schwingungsrichtung des Lichts erzeugen, indem man zum Beispiel eine Platte mit einem Spalt vor dem unpolarisierten Licht aufstellt. So werden alle Schwingungsrichtungen, die nicht genau mit der Ausrichtung des Spalts zusammenpassen, nicht durchgelassen. Das Licht, das aus der anderen Seite der Platte durchkommt, ist somit linear polarisiert. Das ist im unteren Bild links dargestellt. Die schwarzen Pfeile zeigen die Schwingungsrichtung an.

Polarisation von Licht mittels einen Spalt und Reflektion.
Grafik: A. Navarro-Quezada

Mittels Reflektion kann Licht auch polarisiert werden. Das funktioniert besonders gut bei einem ganz besonderen Einfallswinkel, der als Brewster-Winkel bezeichnet wird. Bei diesen Bedingungen wird nur jenes Licht reflektiert, das senkrecht (vertikal) zur Einfallsebene (mit gestrichelter Linie markiert) einfällt, während das parallel (horizontal) einfallende Licht in das Material eindringt, wie im Bild rechts dargestellt ist - auf diese Weise werden Sonnenbrillen polarisiert. Dafür wird die Oberfläche von Sonnenbrillen mit einer dünnen Folie beschichtet, die aus mikrometerkleinen Pyramiden besteht, die genau im Brewster-Winkel geschnitten sind.

Wenn Licht auf Schokolade trifft

Wenn man Licht mit einer bestimmten Polarisation auf eine Oberfläche einfallen lässt, wird das reflektierte Licht eine geänderte Polarisation aufweisen, die durch die Struktur (Rauigkeit) der Oberfläche und des Materials bestimmt wird. Durch diese Änderung der Polarisation können zwei wichtige optische Eigenschaften jedes Materials bestimmt werden: der Brechungsindex und der Extinktionskoeffizient. Dieser Extinktionskoeffizient hängt direkt mit der Lichtabsorption im Material zusammen.

Schweizer Forscher haben linear polarisiertes Licht auf unterschiedliche Schokoladensorten (weiß, Milch und dunkel) und Kakaobutter einfallen lassen. Aus der Veränderung in der Polarisation – von linear zu elliptisch – des reflektierten Lichts erhielten sie den Brechungsindex als Funktion der Wellenlänge. Dies ist im zweiten Bild links unten zu sehen. Daraus folgt, dass der Brechungsindex von Kakaobutter dem von Quarzglas (Siliziumoxid) sehr ähnelt, welches ein transparentes Material ist. Außerdem ist der Brechungsindex umso niedriger, je weniger Kakaobutter enthalten beziehungsweise je dunkler die Schokolade ist. Das bedeutet, dass das Licht sich schneller in dunkler als in weißer Schokolade bewegt.

Modell der Licht-Schokolade-Wechselwirkung, dessen Brechungsindex und Kristallstruktur.
Grafik: A. Navarro-Quezada

Farbenfrohe Schokolade

Um die Färbung der unterschiedlichen Schokoladensorten zu erklären, benutzen die Schweizer Forscher das Grundprinzip der Lichtstreuung. Dafür erstellten sie ein Modell, in dem die Schokolade näherungsweise aus sphärischen Kakaobutterpartikeln, eingebettet in einer Fettmatrix, besteht. Wenn Licht an die Oberfläche der Schokolade gelangt, wird ein Teil davon reflektiert und ein Teil davon wird absorbiert. Im Inneren der Schokolade wird das Licht an den Kakaobutterpartikeln zerstreut. Dabei ändert sich die Richtung des Lichts je nach Wellenlänge unterschiedlich: Blaues Licht wird stärker gestreut als rotes Licht. Dies ist der Grund, weshalb wir den Himmel blau sehen: das Sonnenlicht wird an den Molekülen und Atomen in der Erdatmosphäre gestreut.

Diesem Modell zufolge sind in weißer Schokolade die Kakaobutterpartikel circa 400 Nanometer groß. Je mehr Zucker und Milchpulver hinzugefügt wird, desto weniger wird durch die Partikel Licht gestreut und desto mehr weißes Licht absorbiert, was zur weißen Färbung beiträgt. Gibt man mikrometergroßes Kakaopulver dazu, wird eher blaues und grünes Licht an den größeren Partikeln zerstreut, rotes Licht wird absorbiert und die Farbe ändert sich von weiß auf rot-braun.

Das bedeutet, dass die Färbung von Schokolade durch Änderung der Größe der Kakaopartikel nach Belieben justiert werden könnte. Eine einfachere Methode wäre, den Schweizer Physikern zufolge, die Schokolade mit einer ultradünnen Beschichtung von Titanoxid zu überziehen. Die Lichtabsorption unterschiedlicher Farben (Wellenlängen) könnte dann je nach Oberflächenstruktur eingestellt werden und somit könnte blaue oder grüne Schokolade ohne zusätzliche Zutaten hergestellt werden.

Licht und Schokolade.
Foto: A. Navarro-Quezada

Die Struktur von Schokolade

Die Kakaobutterpartikel ebenso wie der Zucker in der Schokolade sind kristallin. Dadurch kann man mittels Röntgenbeugung die Kristallstruktur von Schokolade untersuchen. In unserem Röntgenlabor haben wir ein Stück "Milka Dark Milk Schokolade" gemessen. Das Beugungsmuster ist im zweiten Bild links zu sehen. Die mit Pfeilen markierten Strukturen in dem Beugungsmuster können Zucker und Kakaobutter zugeordnet werden.  Die Höhe und die genaue Position liefern die genaue Kristallstruktur dieser Zutaten.

Die Struktur von Schokolade wurde schon öfters mittels Röntgenbeugung und sogar Synchrotron-Strahlung untersucht. Mittlerweile sind sechs unterschiedliche Kristallstrukturen identifiziert worden, die die Schmelztemperatur von Schokolade stark beeinflussen und in einem Bereich zwischen 14 und 32 Grad Celsius verändern. 

Egal welche Schokoladensorte Sie am liebsten essen: Nächstes Mal, wenn Sie ein Stück Schokolade genießen, denken Sie daran, dass Schokolade nicht nur gut schmeckt, sondern dass auch eine Menge Physik drinsteckt! (Andrea Navarro-Quezada, 19.5.2021)

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