Kaffe-ring fænomen forklaret i ny teori

Dannelsen af ​​en simpel kaffeplet har været genstand for komplekse undersøgelser i årtier, selvom det viser sig, at der stadig er nogle sten, der skal vendes. Forskere ved University of Nevada, Reno har modelleret, hvordan en kolloid dråbe fordamper og fundet en tidligere overset mekanisme, der mere præcist bestemmer dynamikken i partikelaflejring i fordampende fastsiddende dråber, som har konsekvenser på mange områder af nutidens teknologiske verden.

"Forståelse og manipulation af dynamikken i partikelaflejring under fordampning af kolloide dråber kan bruges i DNA-sekventering, maleri, inkjet print og fremstilling af bestilte mikro/nano-strukturer, "Hassan Masoud, adjunkt ved Institut for Maskinteknik, sagde. "Og nu forstår vi det bedre end nogensinde før. Vores opdagelse bygger på en stor mængde arbejde; vi tog dog et ekstra skridt, modellering af interaktionen af ​​suspenderede partikler med dråbens frie overflade. Vi tror på, at vores resultater fundamentalt vil ændre den almindelige opfattelse af den mekanisme, der er ansvarlig for det såkaldte 'kaffe-ring'-fænomen."

Når en dråbe tørrer på en overflade, partiklerne suspenderet i det sædvanligvis aflejres i et ringlignende mønster, efterlader en plet eller rester, kaldet kaffering-effekten. Indtil nu, pletten mentes at dannes som et resultat af væskestrømmen inde i dråben. Masoud og hans team fandt ud af, at den frie overflade af dråben, det øverste lag, hvor det er i kontakt med luften, spiller en afgørende rolle i aflejringen af ​​partiklerne.

"Når dråben fordamper, den frie overflade kollapser og fanger de suspenderede partikler, " sagde Masoud. "Vores teori viser, at alle partiklerne i sidste ende bliver fanget af den frie overflade og bliver der resten af ​​deres tur mod kanten af ​​dråben."

Masoud og hans team brugte et mindre velkendt modelsystem, kendt som det toroidale koordinatsystem, der gjorde det muligt for dem at reducere de tredimensionelle styrende ligninger til en endimensionel form. På trods af en anstændig mængde serverplads og hastighed, holdet valgte at skrive deres mange ligninger på lang hånd, på snesevis af meget store stykker nyhedspapir.

"Vores innovative tilgang - og ved at bruge nogle grimme lange ligninger - adskiller vores arbejde fra tidligere forskning, " sagde han. "Ingen andre har brugt dette koordinatsystem til dette problem, og dette giver os mulighed for at spore partiklernes bevægelse i dråben på en naturlig måde."

Opdagelsen gør det muligt for forskere at manipulere bevægelsen af ​​opløste partikler ved at ændre overfladespændingen af ​​væske-gas-grænsefladen i stedet for at kontrollere bulkstrømmen inde i dråben.

"Vi kan bruge overfladeaktive stoffer til at justere overfladespændingen, " sagde Masoud. "I et simpelt eksempel, hvis du renser solpaneler, som kan miste op til 90 procent af deres effektivitet, når det er snavset, den foretrukne rengøringsmetode er vand, men det efterlader en plet, der er svær at udslette. Ændring af flowdynamikken under fordampning med et specialiseret rengøringsmiddel kan efterlade panelerne renere og mere effektive."

Deres fagfællebedømte papir, "Alternativ mekanisme til afsætning af kafferinge baseret på den frie overflades aktive rolle, " blev offentliggjort 12. december i American Physical Society's publikation Fysisk gennemgang E .