Het ‘koffievlekeffect’ is een bekend effect, waarbij een donkergekleurde rand ontstaat als een vloeistof, met daarin deeltjes, verdampt. Dat komt door een soort lawine van deeltjes, lieten UT-onderzoekers jaren geleden al zien. In inkjet- en 3D-printing is het bijvoorbeeld een ongewenst effect. Door het oppervlak te voorzien van een olie-achtig laagje, is het effect wel te onderdrukken, laten de onderzoekers van de groep Physics of Fluids nu zien in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
In hun eerdere publicatie lieten de UT-onderzoekers zien dat als de druppel met daarin deeltjes verdampt, de deeltjes eerst rustig naar de rand gaan bewegen. Omdat de diameter gelijkblijft, wordt de druppel steeds ‘lager’ als hij verder verdampt. In de laatste fase snellen de deeltjes, als in een lawine, naar de rand. Wat resteert, als alle vloeistof is verdampt, is een donkere rand, in plaats van een homogene verdeling. Eigenlijk dwingt de rand van de druppel, die al snel vast komt te liggen, dit effect af. Hoe voorkomen we dit, was de vraag van de onderzoekers. Zij weten de verdeling van de deeltjes beter te sturen als de druppels een andere, olieachtige ondergrond krijgen.
Van 'koffie-oog' naar uniforme verdeling
Er ontstaat dan ook wel een rand, maar die is gevat in olie die niet verdampt en die ook de verdamping van de vloeistof tegengaat. De deeltjes hebben dan niet meer de neiging om allemaal naar de rand te bewegen, sterker nog, ze bewegen de druppel in. Is alle vloeistof verdampt, dan zijn de deeltjes homogeen verdeeld. Er is ook nog de optie dat de druppel helemaal wordt omgeven door de olielaag. Dan ontstaan geen ringen, maar een ‘coffee eye’, een geconcentreerde spot ergens op het druppeloppervlak. Dit kán een gewenst effect zijn, in bijvoorbeeld nanopatronen. Door toevoeging van oppervlakte-actieve stof (surfactatant) zien de onderzoekers kans om de verspreiding van de deeltjes in de druppel te variëren van een geconcentreerd ‘oog’ tot een homogene verdeling.
Ziekte-overdracht
De vloeistoffysici werken al geruime tijd samen met printerfabrikant Océ, die nu Canon Production Printing heet. In hun grote printers brengt dit bedrijfzij al een laagje aan op papier, voordat de druppels van de inkt erop neerkomen. Maar ook voor het aanbrengen van patronen op een oppervlak (surface patterning), en voor 3D printing is een betere controle van de verdampende vloeistof belangrijk. Zelfs over de manier waarop virussen zoals corona worden overgedragen, leren we meer dankzij de nieuwe kennis over verdampende vloeistoffen op oppervlakken. Dit zal dan ook een van de nieuwe onderzoeksrichtingen zijn.
Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Physics of Fluids van de UT en het Max Planck Center for Complex Fluid Dynamics. Vlak voor de nieuwe publicatie is eerste auteur Yaxing Li (Anhui, 1991) succesvol gepromoveerd op het proefschrift ‘Evaporating multicomponent droplets’. Zijn promotoren waren prof. Detlef Lohse en prof. Michel Versluis.
Het paper ‘Evaporating droplets on oil-wetted surfaces: suppression of the coffee-stain effect’, door Yaxing Li, Christian Diddens, Tim Segers, Herman Wijshoff, Michel Versluis en Detlef Lohse, verschijnt in de Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS).
