Nederlandse onderzoeker ontrafelt mysterie van de koffievlek

"Fluid flow in drying drops", dat is de titel van het proefschrift van Gelderblom waarmee ze vorig jaar cum laude aan de universiteit van Twente in Nederland tot doctor in de Natuurkunde is gepromoveerd. Concreet boog ze zich over de stromingen binnenin verdampende vloeistofdruppels, zoals bijvoorbeeld koffiedruppels. Ze ging na hoe het komt dat druppels steevast afgelijnde (donkere) kringen rondom een lichter, wanordelijk vlak vormen wanneer ze opdrogen.

Daarbij bouwde ze voort op het onderzoek van de Amerikaanse wetenschapper Sidney Nagel die die het fenomeen 15 jaar geleden al bestudeerde. Hij stelde vast dat de randen van een druppel bij verdamping als eerste opdrogen. Dit brengt vanuit het midden van de druppel een stroom op gang die vloeistof en kleine deeltjes naar de randen stuwt waar het aangevoerde water eveneens verdampt en de deeltjes achterlaat.

Gelderblom nam met deze verklaring echter geen genoegen. Ze wilde weten hoe het komt dat de buitenkant van een verdampte druppel netjes is omlijnd terwijl de binnenkant een wanordelijk boeltje is. Ook stelde ze zich de vraag waarom de rand op het einde van het verdampingsproces sneller aangroeit dan in het begin.

Ze ontdekte dat de stroming binnenin een druppel lang geen constante snelheid kent tijdens het verdampingsproces. Aanvankelijk is de stroming zwak wat de aangevoerde deeltjes ruim de tijd geeft om een nette, kristalvormige structuur aan de rand van de druppel te vormen bij het verdampen. Dit resulteert in een duidelijk afgelijnde, donkere kring in het geval van een koffiedruppel.

Naarmate het proces vordert, schakelt de stroming een tandje hoger. De aanvoer van deeltjes versnelt waardoor ze zich niet langer kristalvormig ordenen bij het verdampen, maar wel chaotisch her en der in het vlak van de opdrogende druppel terechtkomen en dit in een toenemend tempo tot de druppel helemaal is verdwenen.

Deze inzichten leveren Gelderblom nu de FOM Natuurkunde Proefschrift Prijs 2014 op. Dat is een prestigieuze prijs uitgereikt door de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie die elk jaar de beste thesis in de natuurkunde bekroont.

Blijft de reuzengrote vraag: heeft dit onderzoek enig nut? "Jazeker", vertelt Gelderblom aan onze redactie. "Het principe geldt niet alleen voor koffiedruppels, maar ook voor andere stoffen zoals inkt. Bij het drukken van teksten is het de bedoeling een egaal resultaat te bekomen wanneer de inkt opdroogt. Kennis over het proces achter de verdamping kan hierbij helpen."

"De werking van verdampende druppels kan ook positief worden aangewend, bijvoorbeeld om miniscuul kleine deeltjes in welbepaalde structuren te laten opdrogen. Onder meer bij het ontwikkelen van optische chips kunnen zo specifieke kristalstructuren worden gevormd zonder dat daar mensenhanden aan te pas komen."

Samen met haar collega's van de vakgroep Vloeistoffenfysica maakte Gelderblom onderstaand filmpje waarin ze het hele verdampingsproces visueel uit de doeken doet: