Nie wieder Kaffeeringe!

Wassertropfen auf einer festen Oberfläche verdunsten früher oder später. Da die Flüssigkeit recht stark auf der Oberfläche haftet, ändert sich die Grundfläche des Tropfens dabei nicht. Da der Tropfen durch den stetigen Verlust an Wassermolekülen aber immer flacher wird und damit die Oberflächenspannung abnimmt, reißt der durchgehende Wasserfilm irgendwann. Dieses Reißen führt wiederum dazu, dass in der Flüssigkeit enthaltene Partikel an den äußeren Rand des Tropfens geschoben werden und sich dort ablagern. Dieser Effekt ist bereits seit einiger Zeit bekannt und führt bei Kaffeetrinkern zu erhöhtem Spülaufwand: Verdunstet das koffeinhaltige Getränk aus der Tasse, bekommen die verbleibenden Partikel von den scheidenden eine Art kleinen Stoß und driften in Richtung Tassenrand, wo sie sich anlagern und die sogenannten Kaffeeringe bilden.

Ein Wissenschaftlerteam der University of Pennsylvania hat nun untersucht, welche Auswirkung die Form der Partikel auf diesen Effekt hat. Dazu versetzten sie Wassertropfen mit winzigen Plastik-Partikeln in Kugel- und in Ellipsenform und beobachteten die Bewegung dieser Partikel unter dem Mikroskop. Die kugelförmigen Teilchen drifteten auf nahezu direktem Weg in Richtung Tropfenrand und lagerten sich dort ab. Die ellipsenförmigen Teilchen schlossen sich dagegen eher zu kleinen Teppichen zusammen, die in der Tropfenmitte blieben. Die US-Forscher machen dafür die Spannung zwischen Flüssigkeit und Luft verantwortlich. Während sich die runden Partikel bei sinkender Oberflächenspannung reibungsfrei an den äußeren Rand der Flüssigkeit bewegen können, erzeugen ellipsenförmige minimale Wellen auf der Oberfläche, kollidieren dabei miteinander und bleiben aneinander hängen. Die Anziehungskräfte zwischen den Ellipsen nehmen zu, so dass sie in kleinen Kolonien in der Mitte des Tropfens bleiben (siehe Video). Auch diese Reaktion kann am Frühstückstisch beobachtet werden: In einer Schüssel mit Haferflocken oder Cornflakes schwimmen die Flocken auch, in einem Klumpen zusammengerottet, in der Mitte der Müslischale.

Um zu testen, ob die Beimengung von ellipsenförmigen Partikeln die Konzentration der Teilchen am Gefäßrand verhindern kann, vermischten die Wissenschaftler ellipsen- und kugelförmige Partikel. Das Ergebnis: Waren die Kugeln deutlich kleiner als die Ellipsen, bewegten sie sich weiter an den Rand, bei etwa gleicher Größe blieben sie jedoch zwischen den Ellipsen hängen ? der Rand blieb ?sauber?. Allerdings funktionierte dieser Effekt nicht unter allen Bedingungen.

In folgenden Untersuchungen möchten sich die Forscher mit der Verdunstung verschiedener Flüssigkeiten beschäftigen. Dabei erhoffen sie sich vom besseren Verständnis dieser Prozesse wichtige Hinweise für verschiedene Industriezweige, in denen Farben, Tinte oder aber auch Schmierstoffe eine Rolle spielen. Sogar für Kosmetikprodukte wie Körperlotionen, Haargele, Cremes und Rasierschaum sehen die Wissenschaftler eine Relevanz ? für alle Bereiche, in denen es gilt, streichfähige Produkte ohne Klümpchenbildung herzustellen.