Net nu iedereen dacht dat het mechanisme achter de vorming van koffiekringen wel zo’n beetje was begrepen, hebben natuurkundigen van twee Amerikaanse universiteiten weer twijfel gezaaid. Het proces dat zij voorstellen, verschilt radicaal van de algemeen geaccepteerde theorie.
Volgens de nieuwe theorie is het steeds dunner worden van de koffievlek de belangrijkste oorzaak van het ontstaan van de bekende koffiekringen. Het oppervlak van een verdampende koffievlek zakt in, vangt de in de vloeistof zwevende (kleur)deeltjes, die vervolgens naar de rand trekken. De gangbare theorie noemt snelle verdamping aan de rand als oorzaak, waardoor vloeistof uit het binnenste van de druppel erheen stroom en zich daar de (kleur)deeltjes verzamelen.
Voor alle duidelijkheid, de kennis over koffiekringen heeft wel degelijk praktisch nut, als ‘koffie’ tenminste ook mag staan voor andere oplossingen die kringen kunnen achterlaten. Zo zijn er toepassingen bij verfproductie en in inkjetprinters, waar moet worden voorkomen dat de drogende kleurstoffen een kring produceren. En voor het maken van kristalstructuren en DNA-sequencing, wordt het kringvormende effect juist uitgebuit.
Verdampende rand
De tot nu toe algemeen erkende verklaring van het ontstaan van de kringen – waaraan ook de Nederlandse onderzoeker dr.ir. Hanneke Gelderblom van de Universiteit Twente heeft bijgedragen – loopt zo. Boven een verdampende druppel komt algauw een wolkje vochtige lucht te hangen, dat de verdere verdamping hindert. Aan de rand van de druppel kan de damp echter nog gemakkelijk naar de droge omgevingslucht ontsnappen. Daarom verloopt de verdamping aan de rand het snelst.
Dat kán tot gevolg hebben dat de rand van de druppel zich steeds verder terugtrekt, en dan ontstaat er geen kring. Maar als – zoals bij een druppel koffie op een bureaublad – de hechting tussen de vloeistof en de ondergrond sterk genoeg is, wordt het anders. De rand blijft dan op z’n plaats en de vloeistof die ter plaatse verdampt, wordt voortdurend vervangen door nieuwe vloeistof uit het binnenste van de druppel. De zo ontstane stroming deponeert de opgeloste koffie- of andere deeltjes aan de rand, waardoor een kring ontstaat.
Steeds platter
Een mooie theorie, die uitstekend klopt met de waarnemingen. Toch denken dr. Hassan Masoud en zijn collega’s van de University of Nevada en de State University of New York dat het weleens heel anders zou kunnen zitten. In hun model – dat ze baseren op een nieuwe wiskundige methode en hebben getest met uitgebreide computersimulaties – speelt het verschil in verdampingssnelheid tussen de rand en de rest van de druppel geen grote rol. De kern van de zaak is voor hen iets anders, namelijk dat een verdampende druppel steeds platter wordt. Ze constateren dat het zakkende bovenoppervlak de deeltjes invangt die in de vloeistof zweven. Vervolgens trekken die deeltjes langs het oppervlak naar de druppelrand.
Oppervlaktespanning
Als dat klopt, zitten er praktische consequenties aan vast. Het zou namelijk betekenen dat de oppervlaktespanning een bepalende factor is voor het ontstaan van kringen. Die oppervlaktespaning moet voldoende zijn om de druppel tijdens het verdampen bij elkaar te houden. Masoud geeft zelf het voorbeeld van vlekken op zonnepanelen, die achterblijven als ze met water zijn schoongemaakt. Door de oppervlaktespannign van het water te verlagen met toevoeging van zeep, blijven de druppels tijdens het verdampen niet in tact en ontstaan er geen vlekken. Voor producenten van verf of inkt betekent het dat de oppervlaktespanning van hun product mede bepaalt hoe regelmatig het pigment na het drogen achterblijft.
De Amerikanen spreken in hun artikel in het vaktijdschrift Physical Review E diplomatiek van een ‘alternatief mechanisme’, zonder met zoveel woorden te zeggen dat de oude verklaring niet klopt. Maar uitspraken als ‘beschouwing van alleen het oppervlaktetransport is voldoende om te bepalen waar op het oppervlak de deeltjes terechtkomen’ suggereren dat wel. De Ingenieur vroeg Gelderblom om een reactie.
Theorie verklaart meting niet
‘Een interessant artikel met een originele conclusie’, zegt zij. ‘En het lijkt me waarschijnlijk dat het voorgestelde deeltjestransport langs het oppervlak inderdaad optreedt. Maar wat mij en mijn collega Alvaro Marin erg heeft verbaasd, is dat de auteurs totaal niet ingaan op overduidelijk experimenteel, theoretisch en numeriek bewijs dat er een sterke verdampingsgedreven stroming bestaat die deeltjes naar de rand brengt. Die stroming is ook rechtstreeks en gedetailleerd gemeten, zowel door ons als door andere onderzoeksgroepen.’ Het filmpje hieronder van een experiment van Gelderbloms groep laat dat inderdaad duidelijk – zelfs nogal spectaculair – zien.
Waarschijnlijk is het dus geen geval van ‘óf – óf’, maar van ‘én – én’. Tenminste, als de bijdrage van het ‘nieuwe’ effect waarneembaar groot is. Gelderbloms – voorlopige – conclusie: ‘Dit model wordt pas echt interessant als wordt aangetoond dat er gevallen zijn waarin het effect dominant of in ieder geval significant is. Dat bewijs ontbreekt hier.’ Op de valreep van het nieuwe jaar hoeven liefhebbers van koffie hun wereldbeeld dus nog niet bij te stellen.(Timo Können)
Openingsfoto: H. Gelderblom, Physics of Fluids, Universiteit Twente
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.