Új megoldást találtak a kávé- és a vörösborpacák ellen

A kávé- és a vörösborpacák száradási mintája jellegzetes: a folt felszáradása után élesen kirajzolódik a paca határvonala. A jelenség oka a kapilláris áramlás, amely miatt a folyadék elpárolgott része a belsejéből pótlódik. Hogy felületaktív anyag hozzáadásával vagy elektromos váltóáramnak a cseppen való átvezetésével a hatás gyengíthető, az eddig is ismert volt. Újdonság, hogy a folyadékban lebegő részecskék alakja is erősen hat a visszamaradó folt színeloszlására. Az elnyúlt részecskék ugyanis gömb alakú társaikkal ellentétben hajlamosak a folyadék felszínén maradni, és ott halmazokat képezni.

A kávéfoltok jellegzetes gyűrű alakját a száradó cseppben lebegő kolloid részecskék kifelé úszása okozza. Bár ez első pillantásra mindössze egy bosszantó természeti jelenségnek tűnik (nehezebb letakarítani), számos technikai alkalmazásnál, például a filmbevonó technikáknál vagy a tintasugaras nyomtatásnál okoz problémát. Egy tiszta folyadékcsepp összezsugorodik száradáskor, egy kolloid részecskéket tartalmazó csepp viszont megtartja átmérőjét, lapulva szárad. Ekkor a csepp éle mintegy "odaszegeződik" a szilárd aljzathoz. A csepp pereménél elpárolgó folyadék a belső részekből pótlódik, az így kialakuló áramlás magával ragadja és a peremen halmozza fel a cseppben lebegő részecskéket. A jelenség kimenete függ a folyadék felületi tulajdonságaitól is. Először Benjamin Franklin tanulmányozta, hogy a felületi viszkozitás növelése stabilizálhatja a folyadék viselkedését. Franklin olajat permetezett egy londoni pocsolya vizére, ami lecsillapította a pocsolya fodrozódásait. (A jelenséget Verne is ismerte, de ő "nagyban" alkalmazta: Grant kapitány gyermekei regényében a zátonyok között háborgó vizet úgy fékezték meg, hogy fókazsírt öntöttek a tengerbe.)

A kávégyűrű-hatás gömb alakú kolloid-részecskék esetében a legfeltűnőbb. Ha a cseppben lebegő részecskék alakja eléggé eltér a gömbtől, a felületi feszültség miatt könnyebben csapdába esnek a levegő-folyadék felülethatáron, ahol összegyűlva halmazokat alkotnak. Ez stabilizálja a csepp felszáradásának folyamatát.

Szuszpenziócsepp felszáradása után maradt folt: a gömb alakú részecskék a peremen halmozódnak, így "kávégyűrű "alakult ki. Ha eléggé megnyúltak a részecskék, akkor egyenletes folt marad a csepp után (Nature)

Peter Yunker fizikus (University of Pennsylvania) a részecskék alakjának megválasztásával ellensúlyozta a felületi feszültség hatását. A ő módszere abban tért el Franklinétól, hogy nála nem a molekulák (olaj) alakja volt elnyúlt, hanem a szuszpenzióban lebegő részecskéké. Minél hosszúkásabbak a részecskék, annál inkább kötődnek a folyadék-levegő határhoz. Itt elrendeződésüket a Cheerios-hatás irányítja, mely nagy nyílt szerkezeteket alakít ki belőlük. A "csíriosz" a legnépszerűbb zabpehely Amerikában, így minden reggeli egy fizikai kísérlet is egyben, ha odafigyel az ember a tejben úszó zabpehely-társulásokra. Ezeket a testecskéket az oldalkapillaritás kényszeríti egymáshoz. Minden egyes úszó zabpehely a súlyánál fogva "behorpasztja" a tejet. A folyadékfelület össztorzulása akkor a legkisebb, ha a felszínén úszó részecskék egymáshoz tapadnak.

Egy adott részecskehatár alatt azonban a gravitáció deformáló hatása elhanyagolható, így az alakhatások tisztán jelentkeznek. Ekkor a folyadékfelszín torzulása a nedvesítő hatása miatt következik be. Ha ellipszoid alakú részecskék részlegesen merülnek a vízbe, a nedvesítés úgy módosítja a víz-levegő felületet, hogy a víz az ellipszoid közepénél felemelkedik, a csúcsainál meg lenyomódik. A jelenséget a részecskék felületének érdessége vagy kémiai heterogenitása tovább erősítheti. A folyadékfelület össz-torzulását ebben az esetben is csökkenti a részecskék összetapadása.

Mivel a hosszúkás részecskék mind a felületen gyülekeznek, egymást akadályozzák abban, hogy az áramlások a csepp pereme felé tereljék őket. Így egyenletesen rakódnak le

Yunker kutatócsoportja mikrométer méretű polisztirén gömbökkel és ellipszoidokkal kísérletezett. Ezekből 0,01-20,0 térfogatszázalékos vizes szuszpenziókat állítottak elő, melyeket mikroszkóppal tanulmányoztak. Megfigyelték, hogy ha az ellipszoidok nagytengely-kistengely aránya nagyobb, mint 2,5, akkor a kiszáradó szuszpenzió egyenletes foltot hagy maga után. A felszíni részecsketársulások megjelenését konfokális mikroszkóppal igazolták. Amikor a kutatók kis mennyiségű felületaktív anyagot adtak a szuszpenzióhoz, a felületi feszültség csökkent, és a részecskék kevésbé tapadtak össze.

A száradó csepp peremének mikroszkópos látványa. A gömb alakú részecskék mintegy ráfeszítik a cseppet az eredeti határvonalra, így az nem zsugorodva, hanem ellapulva szárad

Már kis mennyiségű - 0,015% - ellipszoidos szuszpenziónak a gömbös szuszpenzióhoz való hozzáadása is megakadályozta a gyűrű kialakulását. Az ilyen felfedezéseknek nagy gyakorlati jelentősége lehet, elősegítheti az egyenletesebb bevonatok készítését. Nemszférikus részecskék alkalmazásával így olyan vékony filmrétegek készíthetők, melyek megvalósítására nem ismeretes más módszer. A festés, a síkosítás, a bevonatkészítés technikája is felhasználhatja az elliptikus kolloidokat, melyeket akár még a kozmetikumgyártásban és az élelmiszeriparban is fel lehet használni. Például olyan kávé kifejlesztésére, melynek cseppje "gyűrűmentesen" szárad.