Zie Nieuws

Spitsuur in een koffievlek

OVERGANG VAN ORDE NAAR WANORDE

In de ringvormige vlekken - 'koffievlekken' - die ontstaan als een vloeistof verdampt waarin deeltjes zijn opgelost, treedt een opmerkelijk effect op, dat nog niet eerder is waargenomen. Terwijl de deeltjes aan de buitenste rand van de ring keurig geordend zijn, is er aan de binnenkant sprake van grote wanorde. De deeltjes lijken zich daar in grote haast te hebben verzameld. Onderzoekers uit de Physics of Fluids groep van de Universiteit Twente verklaren dit fenomeen in Physical Review Letters op 15 augustus.

De bekende donkere rand die overblijft als een druppel koffie is verdampt, ontstaat doordat de in de vloeistof aanwezige deeltjes zich naar de rand van de druppel gaan begeven als de vloeistof verdampt. Dit 'coffee stain effect' is ook bekend van andere oplossingen met daarin deeltjes opgelost, de zg. colloïdale oplossingen. Toen de UT-onderzoekers de snelheid van de deeltjes in de oplossing gingen onderzoeken, ontdekten ze dat er méér gebeurt dan het geleidelijke proces van verdamping en vloeistoftransport.

Tetris

Aanvankelijk gebeurt er wat je eigenlijk verwacht: de druppel verdampt geleidelijk. Steeds als er vloeistof verdampt, herstelt zich het evenwicht in de resterende vloeistof en ontstaat een stroming naar de buitenste rand, de contactlijn van de druppel. De deeltjes bewegen dan nog erg langzaam en hebben alle tijd om zich keurig te ordenen langs de cirkel die de druppel begrenst. Gaandeweg resteert er steeds minder vloeistof en wordt de druppel 'lager'. Dit betekent dat een zelfde hoeveelheid vloeistof door een oppervlak moet bewegen dat steeds kleiner wordt, waardoor de vloeistofsnelheid sterk toeneemt.  Op een kritisch moment ontstaat spitsuur: alle deeltjes willen  met hoge snelheid naar de buitenkant. En dan ontstaat, in plaats van een keurige kristalstructuur, een wanordelijke stapeling van deeltjes: het lijkt op de 'tijdnoodfase' in het spelletje Tetris.

In die tijdnoodfase moet dezelfde hoeveelheid vloeistof door een oppervlak bewegen dat snel aan het verdwijnen is. De deeltjes hebben geen tijd meer om zich via de zg. Brownse beweging te ordenen in de kristalstructuur, maar worden naar de rand geforceerd. De onderzoekers laten zien dat de overgang van orde naar wanorde nauwkeurig is uit te rekenen. Dit is bijvoorbeeld van belang als nieuwe kristalstructuren via verdamping worden gevormd uit colloïdale oplossingen.

Het onderzoek is uitgevoerd in de vakgroep Physics of Fluids van prof. Detlef Lohse. De groep maakt deel uit van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente

Video van het effect staat hier. Hier vind je een 'viewpoint' artikel over het onderzoek (geschreven door Greg Huber).

De publicatie 'Order-to-disorder transition in ring-shaped colloidal stains' van Álvaro Marín, Hanneke Gelderblom, Detlef Lohse en Jacco Snoeijer verschijnt in Physical Review Letters, op 15 augustus in de online editie.