Kaffeering-Effekt im Detail erforscht
Analyse des Verdunstungsverhaltens von Tropfen ist unter anderem für den 3D-Druck relevant.
Das Phänomen kennen alle aus der Küche: Ein verdunstender Kaffeetropfen hinterlässt auf einer weißen Oberfläche einen dunklen Ring. Man spricht hier vom „Kaffeering-Effekt“. Dieser entsteht dadurch, dass im Tropfen während der Verdunstung Strömungen ausgelöst werden, die die Kaffeepartikel nach außen transportieren. Die Partikel lagern sich dann am Rand des Tropfens ab und hinterlassen einen Ring. Es gibt viele Anwendungsbeispiele, in denen ein solches Verhalten unerwünscht ist, beispielsweise bei Farben und Tinten.
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Deswegen ist ein tiefgehendes Verständnis des Verdunstungsverhalten dieser Tropfen wichtig. Von besonderem Interesse ist dabei der Mix aus Glycerin und Wasser, da sehr ähnliche Mischungen beispielsweise bei Tinten für Tintenstrahldrucker verwendet werden. Auch bei diesem Gemisch entstehen Strömungen im Tropfen, die man genauer verstehen möchte.
Mithilfe der Konzentrationsverteilung der einzelnen Komponenten im Tropfen können Rückschlüsse über die Transportvorgänge in der kleinen Flüssigkeitsmenge gezogen werden. Diese Konzentrationsunterschiede maßen Forscher der TU Darmstadt in ihrer Studie mithilfe zweier verschiedener Methoden. Die meisten der bisher für solche Fragestellungen angewandten Methoden brauchten dafür Zusatzstoffe, sogenannte Marker, oder waren nicht besonders genau. Die Marker stehen aber in Verdacht, die Tropfen-Eigenschaften zu verändern.
Das Team verwendete deshalb die beiden Marker-freien, spektroskopischen Methoden Magnetresonanz-Tomographie (MRI) und Raman-Mikroskopie. Während MRI Konzentrationskarten des gesamten Tropfenquerschnittes lieferte, konnten mit Raman-Mikroskopie einzelne Bereiche des Tropfens hoch aufgelöst untersucht werden. Auf diese Weise ergänzten sich beide Methoden gut. Sie lieferten erstmals einen Zugang zu unverfälschten Daten mit ausreichend hoher Auflösung, dass Rückschlüsse auf die Transportvorgänge gezogen werden können. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass die Resultate trotz der gänzlich unterschiedlichen Methoden gut übereinstimmen. Auch mit Simulationen anderer Gruppen deckten sie sich größtenteils.
Verwendung könnten die Ergebnisse unter anderem für die Weiter- und Neuentwicklung verschiedener auf verdunstenden Tropfen basierender Anwendungen finden – etwa in der Drucktechnologie, im 3D-Druck, in Kühlungsapplikationen und in der Beschichtungstechnologie. Die Untersuchung entstand in enger fachlicher und methodischer Zusammenarbeit zwischen den beiden Gruppen „Physics of Surfaces“ aus dem Fachbereich Materialwissenschaften und „Organische Strukturanalytik“ aus dem Fachbereich Chemie. Die Chemiker steuerten die MRI-Messungen und das fachliche Wissen über die chemische Interaktion des Tropfens mit dem Substrat bei. Die Materialwissenschaftler führten die korrespondierenden Raman-Mikroskopie-Messungen durch, simulierten die Laserbrechung an der Tropfenoberfläche und erweiterten das Wissen über die vorherrschende Fluiddynamik.
TU Darmstadt / DE
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
A. Erb et al.: Visualization and quantification of local concentration gradients in evaporating water/glycerol droplets with micrometer resolution, Proc. Nat. Acad. Sci. 122, e2423660122 (2025); DOI: 10.1073/pnas.2423660122 - Physics of Surfaces, Technische Universität Darmstadt
