Kaffeeflecken mit und ohne Rand

  • 17. August 2011

Wenn Tropfen einer Suspension eintrocknen, entstehen ringförmige Ränder. Doch mit ellipsoiden Kolloidteilchen lässt sich das verhindern.

Kaffeetropfen hinterlassen beim Eintrocknen auf einer glatten Unterlage keine gleichmäßig gefärbten Flecken sondern feine Ringe. Das in einem Tropfen gelöste Material wird zum Rand hin transportiert und setzt sich dort ab. Dieser Kaffeerandeffekt ist meist unerwünscht etwa beim Tintenstrahldruck oder bei der gleichmäßigen Beschichtung von Oberflächen. Obwohl der Effekt schon seit langem erforscht wird, gibt es noch immer Überraschungen. Jetzt haben Physiker in den Niederlanden beobachtet, dass im Verlaufe der Ringbildung die Kolloidteilchen erst geordnet und dann regellos abgelagert werden. Forscher in den USA haben einen einfachen Weg gefunden, die Ringbildung gänzlich zu verhindern.

Ein Wassertropfen mit ellipsoiden Kolloidteilchen hinterlässt einen flächigen Rückstand (a), bei einem Tropfen mit kugelförmigen Teilchen ist der Rückstand ringförmig (b)

Abb.: Ein Wassertropfen mit ellipsoiden Kolloidteilchen hinterlässt einen flächigen Rückstand (a), bei einem Tropfen mit kugelförmigen Teilchen ist der Rückstand ringförmig (b). (Bild: P. J. Yunker et al. / Nature)

Die anerkannte Erklärung des Kaffeerandeffekts hatten Sidney Nagel von der University of Chicago und seine Kollegen schon 1997 gegeben. Demnach bleibt der Rand eines verdunstenden Tropfens an Unebenheiten der Unterlage hängen, sodass er sich nicht zurückziehen kann. Der stetige Flüssigkeitsverlust führt dazu, dass der Tropfen in der Mitte immer flacher wird. Da sein Rand aber festgeklemmt ist, setzt von der Tropfenmitte her eine Strömung ein, die die am Rand verdunstende Flüssigkeit ersetzt. Diese Strömung transportiert die in der Flüssigkeit gelösten Partikel zum Tropfenrand, wo sie sich nach und nach als schmaler Ring absetzten, der den Tropfenrand noch stärker festhält.

Wie sich die Partikel ablagern, haben Forscher um Álvaro Marín und Detlef Lohse von der Universität Twente genauer untersucht. Sie haben ein Wassertröpfchen, in dem einheitliche, mikrometergroße Polystyrolkügelchen gelöst waren, auf eine Glasplatte gebracht. Von unten haben sie mit einem Mikroskop verfolgt, wie sich die Teilchen in dem verdunstenden Tropfen bewegten. Zunächst strömte die Flüssigkeit im Tropfen sehr langsam zum Rand, sodass sich auch die Kügelchen nur langsam bewegten. Hatten sie den Rand erreicht, so blieb ihnen genug Zeit, in einem geordneten Muster zur Ruhe zu kommen. Es wechselten sich quadratische und hexagonale Anordnungen der Kugeln ab, je nachdem wie viele Kugellagen in die keilförmig zulaufende Randzone des Tropfens passten.

Je weiter die Verdunstung des Tropfens fortschritt, umso flacher wurde er und umso schneller musste die Flüssigkeit zum festgeklemmten Rand hin strömen, um den fortwährenden Materialverlust auszugleichen. Die Geschwindigkeit der zum Rand strebenden Kugeln wurde deshalb immer größer, sodass ihnen immer weniger Zeit blieb, sich anzuordnen. Sobald eine bestimmte Geschwindigkeit überschritten wurde, lagerten sie sich die neu hinzu kommenden Kugeln völlig ungeordnet ab. Dieses Umschlagen von Ordnung in Unordnung, das durch die schnell zunehmende Geschwindigkeit der Teilchen hervorgerufen wird, nennen die Forscher bildhaft „Rush-Hour-Verhalten“.

Wie man den Kaffeerandeffekt gänzlich verhindern kann, haben Forscher um Peter Yunker und Arjun Yodh von der University of Pennsylvania herausgefunden. Auch sie haben einheitliche, mikrometergroße Polystyrolteilchen in Wasser gelöst, allerdings waren das Kugeln oder Rotationsellipsoide, bei denen die große und die kleine Halbachse in einem bestimmten Verhältnis α standen. Die Forscher ließen die Tropfen eintrocknen und untersuchten, wie die Teilchen im sich bildenden Rückstand verteilt waren. Aus Tröpfchen mit Kugeln (α = 1) oder nahezu kugelförmigen Ellipsoiden (α = 1,05–1,5) entstanden erwartungsgemäß Ringe, die allerdings mit zunehmendem α schwächer ausgeprägt waren. Aus Tröpfchen mit stark ellipsoiden Teilchen (α = 3,5) entstand kein Ring sondern ein Fleck aus gleichförmig verteilten Partikeln.

Wie es dazu kam, sahen die Forscher mit einem Mikroskop. Die kugelförmigen Teilchen wanderten im Innern des Tropfens oder an seiner Oberfläche zum Rand hin, wo sie sich absetzten. Die ausprägt elliptischen Partikel blieben indes größtenteils an der Tropfenoberfläche hängen, wo sie sich zu unbeweglichen und ausgedehnten Netzen zusammenschlossen. Diese Teilchen konnten nicht mehr zum Tropfenrand gelangen und dort zur Ringbildung beitragen. Die an der Tropfenoberfläche sitzenden Ellipsoide verformten die Wasseroberfläche sehr stark, sodass zwischen ihnen starke und weit reichende Kapillarkräfte auftraten. Diese Kräfte vernetzen die Teilchen miteinander und machten sie unbeweglich. Wurde der Flüssigkeit ein Tensid zugegeben, das die Oberflächenspannung und damit auch die Kräfte zwischen den Teilchen verringerte, so kam es wieder zur Ringbildung.

Überraschenderweise kann man den Kaffeerandeffekt auch für Tropfen verhindern, die Polystyrolkugeln enthalten, indem man ihnen eine kleine Menge von geeignet bemessenen ellipsoiden Teilchen hinzufügt. Insbesondere darf deren kleine Halbachse nicht größer sein als der Kugelradius. In diesem Fall fangen sich die Kugeln an der Tropfenoberfläche in den Netzen, die von den Ellipsoiden gebildet werden. Da dann weder die Kugeln noch die Ellipsoide zum Tropfenrand gelangen können und sich dort ablagern können, entsteht auch kein Ring.

Rainer Scharf

OD

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