Als je een gemorste druppel koffie niet opveegt, droogt hij op tot een donkere kring van koffiedeeltjes. In het midden blijft bijna niets achter. Dit ‘koffievlekeffect’ is ongewenst in bijvoorbeeld inkjet- en 3D-printers. Onderzoekers van de Universiteit Twente laten zien hoe dit effect is te onderdrukken door het printoppervlak te bedekken met een olielaagje.
Allereerst: hoe ontstaat zo’n kring eigenlijk? Koffie en inkt zijn vloeistoffen waarin kleine deeltjes drijven. Als de vloeistof verdampt, blijven de deeltjes achter op het oppervlak. De randen van een bolle druppel drogen als eerst op. Vanuit het midden van de druppel ontstaat daardoor een stroming om het vocht aan de randen aan te vullen. Die stroming neemt ook deeltjes mee, die vervolgens aan de randen neerslaan. Zo worden de meeste deeltjes naar de randen getransporteerd, waar ze achterblijven als een opgedroogd randje.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
In 2011 lieten Twentse onderzoekers al zien dat de rand op het laatst, wanneer bijna alle vloeistof verdampt is, het snelst groeit. Hoe platter de druppel wordt, hoe hoger de stroomsnelheid van het midden naar de zijkanten, bleek toen. Maar hoe voorkom je dit koffievlekeffect als je een mooi egaal opgedroogde druppel wilt, bijvoorbeeld bij het printen?
Egaal opgedroogd laagje
Een laagje olie op het printoppervlak blijkt te helpen. De rand van een druppel raakt dan bedekt met olie. Doordat de olie niet verdampt, gaat de verdamping aan de rand trager. De deeltjes stromen dan niet meer uitsluitend naar de randen, maar blijven gelijkmatig verdeeld over de druppel. Dit levert een egaal opgedroogd laagje deeltjes op.
Wanneer niet alleen de rand, maar de volledige druppel bedekt raakt met olie gebeurt er iets anders. Dan kan er een coffee-eye-patroon ontstaan. Daarbij verzamelen de deeltjes zich op een geconcentreerde plek in het midden.
‘De reden hiervoor is dat de stroming in de druppel naar binnen is, niet naar buiten zoals bij de koffievlek’, mailt hoogleraar Detlef Lohse van de Universiteit Twente. Dat komt door een samenspel van zwaartekrachteffecten en het verschil in oppervlaktespanning tussen de vloeistof en de olie.
Voor bepaalde toepassingen, zoals het printen van nanopatronen, kan de vorming van een coffee eye een voordeel zijn.
Controle over de druppel
Om meer controle te krijgen over het patroon waarin de druppel opdroogt, voegen de onderzoekers een oppervlakte-actieve stof aan de vloeistof. ‘Die oppervlakte-actieve stof kan plaatselijk de oppervlakspanning en daarmee de richting van de stroomrichting in de druppel veranderen’, vertelt Lohse.
Zo tonen de Twentse onderzoekers dat ze een druppel op kunnen laten drogen in een patroon dat varieert van een geconcentreerd ‘oog’ met een gewenste grootte tot een egaal vlak. Dit kunnen ze controleren dankzij het olielaagje en door een bepaalde hoeveelheid oppervlakte-actieve stof toe te voegen.
Deze kennis over de verdeling van deeltjes uit druppels is niet alleen van belang voor de printindustrie, maar kan ook relevant zijn bij onderzoek naar het overdragen van ziektes via druppeltjes op een oppervlak. Hetzelfde geldt voor de landbouw, waar druppels van verschillende vloeistoffen op planten gespoten worden.