Lagdeling i cafe lattes giver indsigt i teknik, medicin og miljø

For alle, der har undret sig over de rigt farvede lag i en cafe latte, du er ikke alene. Princeton -forskere, ligeledes fascineret, har nu afsløret, hvordan denne lagdelte struktur udvikler sig, når espresso hældes i varm mælk.

"Strukturdannelsen i en latte er overraskende, fordi den udvikler sig fra det kaotiske, indledende hældning og blanding af væsker til en meget organiseret, særskilt arrangement af lag, "sagde Nan Xue, hovedforfatter til et papir, der beskriver resultaterne i Naturkommunikation , og en kandidatstuderende i laboratoriet af Howard Stone, Donald R. Dixon '69 og Elizabeth W. Dixon professor i mekanisk og rumfartsteknik ved Princeton.

Slibningsteknikker til frembringelse af eftertragtede lag ved at strømme væsker ind i hinanden kan reducere omkostninger og kompleksitet i en række applikationer.

"Set fra et produktionsperspektiv, en enkelt hældningsproces er meget enklere end den traditionelle sekventielle stabling af lag i et lagdelt produkt, "sagde Stone." I en anvendelse af denne undersøgelse, vi udforsker fysikken bag at lave en hel lagdelt struktur med et trin, snarere end en efter en stabling af lagene. "

Inspirationen til forskningsprojektet kom fra en uopfordret, mailet billede af en lagdelt kaffedrik sendt til Stone. Da Xue ledte efter et projekt at tage på sig, da han startede sit kandidatarbejde, han undersøgte først konceptet ved at forberede lattes i laboratoriet, ved hjælp af købt kaffe og mælk i butikken.

Efter flere forsøg, blev det klart for Xue, at man kun holder sig inden for visse parametre, såsom temperaturer og hældningshastigheder, tilladt for en karakteristisk café latte. Disse bestræbelser antydede det underliggende, kvantificerbar fysik, der skulle involveres i dens dannelse af væskestruktur.

For mere præcist at kontrollere deres model for latte -lag, Xue og kolleger valgte en stand-in opskrift, der ville få en barista til at gyse:farvet vand erstatter den varme kaffe, og salt, tættere vand til den varme mælk.

Et panel af lysemitterende dioder og et kamera oplyste derefter og fangede væskens bevægelse inden for sammensætningen. Forskerne podede blandingen med sporstofpartikler, som spredte lys fra en grøn laserstråle, for yderligere at spore faux-latte's interne dynamik, en teknik kaldet partikelbilledhastighed. Endelig, numeriske simuleringer blev kørt for at sammenligne de indsamlede data med forskellige modeller af det udviklende system for blanding af væsker.

Den samlede analyse viste, at den primære mekanisme bag lagdelingen er et fænomen kendt som dobbeltdiffusiv konvektion. Det opstår, når der stables væsker med forskellige tætheder op, tvinges af tyngdekraften til at blande deres indhold, udveksler varme gennem bevægelse af deres bestanddele. Inden for en given blanding, tættere, køligere væsker synker, mens lettere, varmere væsker stiger. Dette synker og stiger, imidlertid, når den lokale tæthed i en region inden for en latte nærmer sig en ligevægt. Som resultat, væsken der skal flyde vandret, frem for lodret, skabe forskellige bånd, eller lag.

Gennem deres eksperimenter, forskerne undersøgte, hvordan hastigheden af ​​væskeindsprøjtningen af ​​den varme mælk også har betydning. Hvis det hældes for langsomt, den tættere væske blandes for jævnt, da den strømmer ind i den mindre tætte væske. En hurtigere hældningshastighed får den førstnævnte til at slå igennem sidstnævnte og udløse de hurtige bevægelser, der kulminerer med den ønskede lagdeling, når densitets -ligevægte er etableret.

Yderligere arbejde skal udføres for at karakterisere den lagdelingseffekt, der demonstreres i lattes, for at udvide kontrollen med det til andre nivellerede væsker og halvfaste stoffer. Men de foreløbige fund fra Xue og hans kolleger har allerede vist, hvordan aktiviteten inden for en fælles drikkevare kan føre til ualmindelig indsigt.

"Dette resultat viser væskemekanikkens skønhed og er meget vigtigt, "sagde Detlef Lohse, en professor i væskemekanik ved University of Twente i Holland, der ikke var involveret i undersøgelsen. "Jeg tror, ​​det vil have betydning for forskellige industrielle strømme og blandingsprocedurer inden for såkaldt procesteknologi, hvor blanding af væsker med forskellige densiteter ved injektion af den ene i den anden er allestedsnærværende. "

Lohse påpegede yderligere, hvordan Princeton-forskningen kunne hjælpe med bedre at forklare varme- og saltholdighedsafhængige vandstrømme i Jordens store oceaner, et fænomen, der har vigtige konsekvenser i klimatologi og økologi. "Det mest fantastiske fund kan være, at der er en perfekt analogi mellem lagdeling i en cafe latte, "sagde Lohse, "og den kendte og yderst relevante lagdeling af vand med forskellige temperaturer og saltkoncentrationer i havet."