Je leest:

Chaos in de koffievlek

Chaos in de koffievlek

Auteur: | 18 augustus 2011

Koffievlekken zijn meestal vervelend, maar heb je je wel eens afgevraagd hoe die donkere kringen op de tafel eigenlijk ontstaan? Binnenin zo’n vlek gebeurt meer dan je denkt. Het blijkt bijvoorbeeld een chaos van jewelste te zijn, zo zagen onderzoekers van de Universiteit Twente.

Het bewijs dat hier koffie gedronken is.
Brian Derby

Wie zijn koffie- of theemok na gebruik niet omspoelt, ziet de volgende dag een donkere kring op de bodem van de mok. Net zo zijn de randen van een opgedroogde koffievlek donkerder dan in het midden. Het fenomeen waarbij een vloeistof met daarin opgeloste deeltjes opdroogt, staat binnen de wetenschap – hoe kan het ook anders – bekend als het coffee ring effect. Hoe het kan dat vrijwel alle deeltjes uiteindelijk aan de rand ophopen, terwijl ze eerst over de gehele druppel verspreid zijn, is iets waar natuur- en scheikundigen zich al sinds het eind van de jaren negentig mee bezig houden.

Ophoping van deeltjes

Inmiddels is wel duidelijk hoe de koffiekring ontstaat. Een druppel droogt niet overal gelijkmatig op. Verdamping van vloeistof begint het eerst aan de randen. De deeltjes die zich hier bevinden, worden dus afgezet op het oppervlak; als schelpjes die door de zee op het strand achtergelaten worden. Deze eerste deeltjes vormen de buitenste rand van de vlek.

De druppel is door deze verdamping uit evenwicht. Om dat te herstellen moet er meer vloeistof vanuit het midden van de druppel naar de rand toe. De stroming die zo ontstaat binnen de druppel neemt deeltjes met zich mee. Ook de nieuw meegebrachte deeltjes worden aan de rand afgezet. Dit proces blijft zich herhalen tot alle vloeistof verdampt is. Nagenoeg alle deeltjes zijn dan aan de rand afgezet en de bekende donkere kring op het oppervlak blijft over.

Naarmate het plafond nadert bij Tetris, neemt ook de stress toe. Als gevolg raken de blokjes niet meer netjes opgestapeld. De wanorde die ontstaat, is vergelijkbaar met wat in een opdrogende koffievlek gebeurt.

Net als Tetris

Een vraag die daarbij echter nog openstond is waarom de deeltjes aan de buitenste rand van koffievlek netjes geordend zijn, maar dat ze verder naar binnen toe steeds slordiger afgezet zijn. Onderzoekers van de Universiteit Twente weten hoe dat komt, schrijven ze deze week in het tijdschrift Physical Review Letters. Volgens hen neemt de snelheid waarmee vloeistof tijdens het opdrogen naar de buitenkant stroomt steeds meer toe, en dat leidt tot chaos.

De druppel krijgt minder volume door het opdrogen en wordt dus ‘platter’. De vloeistof moet dus door een steeds kleiner oppervlak bewegen, waardoor de stroomsnelheid toeneemt. Dit wordt op den duur zo bont dat sprake is van een ‘spitsuur’: alle deeltjes willen met hoge snelheid naar de buitenkant van de druppel toe. In plaats van een keurige opstapeling creërt deze chaos een wanordelijke boel van afgezette deeltjes. De onderzoekers vergelijken het met de ‘tijdnoodfase’ in het spelletje Tetris.

Weg koffiekring?

De koffiekringen zijn populair deze week, want ook het tijdschrift Nature besteedt aandacht aan het fenomeen. Amerikaanse onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania hebben onderzocht hoe je het ontstaan van een koffiekring kunt voorkomen. Het blijkt dat als je ovale, platte deeltjes aan de oplossing toevoegt, de vlek egaal – dus zonder dikke rand – opdroogt. Dat is nuttige informatie voor fabrikanten van printers of verf die werken met opdrogende mengsels. Zij willen het ontstaan van dikke randen het liefst voorkomen.

Inkt en verf

Nu hebben de UT-onderzoekers niet voortdurend koffie omgegooid om het opdrogen te bestuderen. Zij hebben waterdruppeltjes van drie microliter met daarin microscopisch kleine plastic bolletjes laten opdrogen. Ze hebben vervolgens van seconde tot seconde de snelheid van de deeltjes gemeten. Het punt wanneer de orde overgaat in wanorde kunnen de onderzoekers daarom nauwkeurig uitrekenen.

Dit is nuttige informatie voor bijvoorbeeld laboratoria die kristalstructuren willen vormen uit colloïdale mengsels, zoals vloeistoffen met daarin opgeloste deeltjes officieel heten. Dat is natuurlijk het echte belang van dit onderzoek. Vaak wil men dat colloïde mengsels zo egaal mogelijk opdrogen, zoals inkt of verf. Als je weet hóe ze opdrogen, kun je het optreden van donkere randen wellicht voorkomen. Voordeel voor ons is dat we begrijpen hoe die fraaie koffiekringen op ons bureau verschijnen. Koffie iemand?

Bron:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 18 augustus 2011

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.