Neuer Ansatz zur Vermeidung des Kaffeering-Effektes

Ein Physikerteam der University of Pennsylvania hat gezeigt, wie man den “Kaffeering-Effekt” unterbrechen kann, indem man die Form der Partikel verändert. Der Kaffeering-Effekt sind die ringförmigen Flecken, die von verdunsteten Kaffeetropfen hinterlassen werden. Die Entdeckung liefert neue Herangehensweisen für Ingenieure, um einzigartige Beschichtungen aufzutragen.

Die Forschungsarbeit wurde von Professor Arjun Yodh, dem Direktor des Laboratory for Research on the Structure of Matter, sowie den Doktoranden Peter Yunker und Matthew Lohr und dem wissenschaftlichen Mitarbeiter Tim Still vom Department of Physics and Astronomy der School of Arts and Sciences an der University of Pennsylvania durchgeführt.

Ihre Studie wird am 18. August im Journal Nature veröffentlicht.

“Der Kaffeering-Effekt ist eine alltägliche Erfahrung”, sagte Yunker. “Um ihn zu vermeiden haben Wissenschaftler große Anstrengungen unternommen und Anstriche und Tinten entwickelt, die bei der Verdunstung eine gleichmäßige Schicht produzieren. “Wir fanden heraus, dass der Effekt eliminiert werden kann, einfach indem man die Form der Partikel verändert.”

Die Ränder eines Wassertropfens auf einem Tisch oder einem Stück Papier beispielsweise sind oft mit der Oberfläche “verankert”. Das bedeutet, wenn das Wasser verdunstet, kann der Tropfen im Umfang nicht schrumpfen, sondern flacht sich ab. Die abflachende Bewegung drückt Wasser und darin befindliche Partikel – wie etwa Kaffeepartikel – an seine Ränder. Wenn der Tropfen mit der Zeit vollständig verdunstet, haben die meisten Teilchen die Ränder erreicht und lagern sich auf der Oberfläche ab, wobei sie einen dunklen Ring bilden.

Die Physiker Sidney Nagel, Thomas Witten und ihre Kollegen von der University of Chicago schrieben 1997 eine einflussreiche Abhandlung über diesen Prozess, der sich hauptsächlich auf gelöste, sphärische Partikel konzentrierte, aber es waren die Experimente von Yodhs Team, welche die überraschende Rolle der Form dieser gelösten Partikel entdeckten.

Yodhs Team verwendete in den Experimenten Plastikpartikel von gleicher Größe. Diese Partikel waren anfangs sphärisch aber konnten in verschiedene Exzentrizitätsgrade gedehnt werden, um zu gewährleisten, dass die Experimente ausschließlich die Auswirkungen der Form dieser Partikel auf der trocknenden Oberfläche testeten.

Die Forscher waren überrascht, welch große Auswirkungen die Partikelform auf das Trocknungsphänomen hatte. “Unterschiedliche Partikelgeometrien ändern die Natur der Membran an der Luft-Wasser-Grenzschicht”, sagte Yodh. “Und das hat enorme Konsequenzen.”

Sphärische Partikel lösen sich leicht von der Grenzschicht und sie fließen leicht aneinander vorbei, weil die Kugeln die Luft-Wasser-Grenzschicht nicht wesentlich verformen. Elliptische Partikel erzeugen allerdings eine deutliche Schwankung der Luft-Wasser-Grenzschicht und das wiederum ruft eine sehr starke Anziehung zwischen den Ellipsoiden hervor. Weil die Ellipsoiden dazu neigen, an der Oberfläche haften zu bleiben und während der Verdunstung weiterhin zu den Rändern des Tropfens fließen können, blockieren sie sich mehr und mehr gegenseitig und erzeugen einen Partikelstau, der irgendwann die Oberfläche des Tropfens bedeckt.

“Wenn man die sphärischen Partikel um 20 Prozent dehnt”, sagte Yunker, “dann lagern sich die Partikel einheitlich ab.”

Nach den Experimenten mit der Partikelform fügten die Wissenschaftler den Tropfen ein hauptsächlich aus Seife bestehendes Tensid hinzu, um zu zeigen, dass die Wechselwirkungen auf der Tropfenoberfläche für den Effekt verantwortlich waren. Als das Tensid die Oberflächenspannung des Tropfens herabsetzte, hafteten die elliptischen Partikel nicht an der Grenzschicht und flossen frei zum Rand.

Sie testeten auch Tropfen, in denen Mischungen aus sphärischen und länglichen Partikeln enthalten waren. Wenn die Kugeln viel kleiner als die Ellipsoiden waren, flossen die Kugeln zum Rand hin, aber bei einer bestimmten Größe wurden sie in ähnlicher Weise gefangen.

“Wir dachten, es wäre nützlich, wenn man einfach ein paar dieser elliptischen Partikel einstreuen könnte, um den Kaffeering-Effekt zu beseitigen”, sagte Yodh, “und wir fanden heraus, dass diese Idee manchmal funktioniert und manchmal nicht.”

Den Einfluss der Partikelform auf die Austrocknung eines Tropfens zu verstehen, könnte Anwendungen beim Drucken und Malen nach sich ziehen. Die Prinzipien könnten auch in biologischen und medizinischen Zusammenhängen relevant sein.

“In vielen Fällen sind an der Herstellung von Beschichtungen giftige Chemikalien beteiligt”, sagte Yunker. “Wenn man eine bio-kompatible Beschichtung braucht, ist es schwieriger.” “

Es gibt viele Situationen, in denen man gleichmäßige Beschichtungen braucht”, erklärte er. “Diese Arbeit wird die Menschen motivieren, über neue Wege nachzudenken.”

Diese Forschungsarbeit wurde von der National Science Foundation, ihrem Materials Research Science and Engineering Center, der NASA und der CNRS-Rhodia-UPenn Complex Assembies of Soft Matter Collaboration unterstützt.

Quelle: http://www.upenn.edu/pennnews/news/penn-physicists-undo-coffee-ring-effect

(THK)