Internationalt hold afslører mysteriet bag kafferingdannelsen

Et internationalt forskerhold, ledet af Monash University, har for første gang opdaget mysteriet bag dannelsen af ​​'kafferinge' ved at undersøge kontaktvinklen for dråber på en overflade, og hvordan de tørrer.

Forskningssamarbejdet mellem Monash University og Cambridge University udviklede også en matematisk model, der er i stand til at forudsige, hvornår en kaffering kunne observeres i hårde sfæriske partikelsystemer.

Professor Gil Garnier, Direktør for BioPRIA (Bioresource Processing Research Institute of Australia) i Department of Chemical Engineering ved Monash University, førte et internationalt team til at udforske, hvordan mønstre dannedes fra fordampende dråber - et fænomen, der har mystificeret fysikere i årevis.

Professor Garnier sagde denne opdagelse, skabt af Dr. Michael Hertag fra BioPRIA, kunne åbne døre i bloddiagnosticeringsarenaen, især for opdagelsen af ​​behandlinger for anæmi og andre blodsygdomme.

Mønsterdannelse er en almindelig forekomst ved tørring af kolloide væsker, såsom mælk, kaffe, maling, aerosoler, og i blod.

Mest almindelig i dråber er en ringfordeling, hvor væskepartiklerne er flyttet til kanten, som omtales som en kaffering, ved tørring. Dette depositum er ugunstigt i mange fremstillingsprocesser og er af fundamental interesse for eksperter i bygningen, medicinsk, og ingeniørfag.

De konkluderede, at kontaktvinklerne, hvorved en dråbe placeres på en fugtet overflade, bestemmer udbredelsen af ​​kaffevinkler. Når dråben er placeret i en høj kontaktvinkel, ingen kafferinge er til stede.

"Vores forskning identificerede kontaktvinklen dannet af suspensionen af ​​dråber på overfladen og dens tørstofindhold som de to vigtige styrende variabler for kafferingdannelse, " sagde professor Garnier.

"Selvom der tidligere er opnået succesfuld modellering, vi viser her for første gang, at for hver kontaktvinkel, der er en kritisk initial kolloidvolumenfraktion, over hvilken der ikke dannes noget ringlignende mønster.

"I bund og grund, jo lavere kontaktvinklen er, jo større sandsynlighed for, at ringprofiler bliver fundet."

Når en dråbe placeres på en overflade, det når hurtigt en tilsyneladende ligevægtsposition, der kan til små dråber, defineres udelukkende af kontaktvinkel og radius.

Fordampningshastigheden og variationen af ​​massefluiditet på dråbens overflade afhænger af mange faktorer, inklusive væskens damptryk, dråbens overflades geometri samt den omgivende atmosfæres hastighed og partialtryk.

Tørringseksperimenter blev udført ved at placere en 6 µL dråbe opløsning på et substrat med en Eppendorf-pipette. Dråben blev efterladt til tørre i et fugt- og temperaturkontrolleret rum holdt ved 23 grader C og 50 procent relativ luftfugtighed.

"Vi viste, at tilstedeværelsen eller fraværet af en kaffering udelukkende kan forudsiges af den indledende volumenfraktion af partikler i en suspension og kontaktvinklen dannet af suspensionen på overfladen af ​​interesse, " sagde Dr. Garnier.

"Ved at bruge dette fund, vi var derefter i stand til at beregne en model til at forudsige kafferingdannelse fra kontaktvinkler ved hjælp af et antal væskedråber.

"Denne modelleringsteknik og dens resulterende indsigt er nye kraftfulde værktøjer til at optimere fremstillings- og diagnostiske teknikker."