Daarom hebben koffievlekken zo’n donkere rand

Koffievlekken krijgen tijdens het opdrogen altijd een donkere rand. Twentse fysici filmden het proces om antwoord te krijgen op de waarom-vraag. Foto sxc.hu

Wie koffie drinkt, heeft het weleens zien gebeuren. De vlekken drogen op met een helder, donker randje. Waarom is dat? Twentse fysici ontdekten het antwoord op die vraag door de stromende deeltjes binnen een verdampende druppel te filmen.

Op een Amerikaans congres over vloeistofdynamica presenteerden ze onlangs bovenstaand filmpje met onderzoeksresultaten. Het bijbehorende artikel verscheen vorige week in het vakblad Physical Review Letters. Margriet van der Heijden schrijft er vandaag op de wetenschapspagina van NRC Handelsblad over:

Het antwoord in grote lijnen werd vijftien jaar geleden al gevonden door Sidney Nagel, een natuurkundehoogleraar in Chicago die zich verbaasde over de vlekken op zijn aanrecht. Zijn verklaring was even eenvoudig als elegant. Wanneer water uit een koffiedruppel verdampt, beginnen de randen van die druppel als eerste te verdrogen. Daardoor komt vanaf het midden van de druppel een stroom op gang die vers water naar de randen brengt. En passant voert die stroom ook koffiedeeltjes mee. Als ook het aangevoerde water vervolgens verdampt, blijven deze donkere deeltjes achter – aan de rand dus.

De fysici uit het oosten van ons land vonden die verklaring niet helemaal afdoende en gingen dus op zoek naar meer duidelijkheid. Waarom groeit de donkere rand het snelst aan op het laatst, wanneer de druppel al bijna is verdwenen? En waarom ziet de buitenkant er zo netjes omlijnd uit en is de binnenkant een wanorde? Ze volgden een druppel nepkoffie vanuit allerlei hoeken om daar antwoord op te krijgen.

Zo zagen de fysici dat het proces in twee etappes verloopt. Aanvankelijk is de stroomsnelheid naar de randen toe laag – deeltjes worden meegevoerd met een vaartje van 1 micrometer per seconde. Aangekomen bij de rand hebben ze alle tijd om, via diffusie, een geschikte plek op te zoeken. Zo rangschikken de deeltjes zich in een regelmatige kristalvorm.

Dan de belangrijkste vraag: waarom is dit belangrijk om te weten? Een van de fysici, Hanneke Gelderblom, legt uit:

“In onze nepkoffie gebruikten we minuscule polystyreen-bolletjes van gelijke grootte, maar je ziet eenzelfde proces ook in melk, inkt en alle andere vloeistoffen waarin kleine deeltjes zweven. Soms wil je dat zulke vloeistofdruppeltjes zonder kringen opdrogen – in inktprinters of in coatings bijvoorbeeld. En soms wil je het droogproces juist gebruiken om een heel mooi ringetje met een kristalstructuur te maken – voor minuscule structuurtjes op chips bijvoorbeeld. In al die gevallen komen onze inzichten van pas.”

    • Peter Zantingh