De verfijnde fysica van koffievlekken

Koffiedruppels drogen altijd op met een duidelijk donker randje. Twentse fysici ontdekten waarom dat zo is toen ze stromende deeltjes binnen een verdampende druppel filmden.

koffievlekken FOTO: Stock.xchng

Het is iets om te overdenken op een warme lome zomerdag. Of juist als de regen klettert en je moedeloos naar het tafelblad staart. Waarom droogt een druppel koffie op met een donker randje? Waarom krijgt niet de hele vlek dezelfde vage koffiekleur?

Maar wie had gedacht dat het antwoord op die vraag op Youtube is te vinden? Daar staat het filmpje dat Twentse fysici kort geleden presenteerden op een Amerikaans congres over vloeistofdynamica. Het heeft fijne tekeningetjes en een achtergrondmuziekje.

In het vakblad Physical Review Letters verscheen vorige week het bijbehorende artikel. Het beschrijft het meest verfijnde model van een opdrogende koffiedruppel tot dusver.

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.

Maar: waarom groeit de donkere rand het snelst aan op het laatst als de druppel al bijna is verdwenen? En waarom ziet de binnenkant ervan er veel wanordelijker uit dan de nette buitenkant?

Die vragen hebben Twentse fysici onder aanvoering van Jacco Snoeijer nu beantwoord door een druppel nepkoffie vanuit allerlei hoeken te volgen met een camera die aan een microscoop was gekoppeld. En tijdens het opdrogen uiteraard. Ze maten bovendien de stroomsnelheid in de druppel.

Zo zagen de fysici dat het proces in twee etappes verloopt, legt één van hen, Hanneke Gelderblom, uit. 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.

Maar als de druppel verder verdampt en platter wordt, groeit de stroomsnelheid. Gelderblom: „Het is net als wanneer je een tuinslang een beetje dichtknijpt. Wanneer dan door zo’n nauwere opening toch evenveel water moet passeren, stroomt dat water sneller.”

De meegesleepte koffiedeeltjes doen dat ook en bewegen nu met wel 10 micrometer per seconde. Gelderblom: „Daardoor hebben ze geen tijd meer om een mooi plekje in de rand te zoeken. Voor ze dat kunnen doen, zijn ze al klemgezet door vers aangevoerde deeltjes.” In plaats van als een kristal oogt de rand hier dus meer als een chaotische verkeersopstopping, die razendsnel aangroeit.

Waarvoor is deze kennis van belang? Gelderblom: „In onze nepkoffie gebruikten we minuscule polystyreenbolletjes 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.”

Het filmpje is te vinden op Youtube. Tik de zoekterm ‘evaporating coffee drops’ in en het verschijnt bovenaan de lijst met zoekresultaten.

    • Margriet van der Heijden