Kaffeering

Typische Kaffeeringe auf glatter Oberfläche
Makroaufnahme eines Kaffeerings

Als Kaffeering bezeichnet man den ringförmigen Fleck, den ein Tropfen Kaffeegetränk nach dem Trocknen auf glatter Oberfläche hinterlässt. Der Kaffeering ist vom Kaffeerand zu unterscheiden, der durch die Form des Bodens einer Tasse oder eines anderen Gefäßes entsteht, wenn verschütteter Kaffee darunter fließt. Generell tritt der Kaffeering-Effekt auf, wenn aus Tropfen von Lösungen oder kolloidalen Suspensionen auf festen Oberflächen das Lösungsmittel verdunstet.

Der Kaffeering-Effekt tritt allgemein bei der Verdunstung von Flüssigkeiten auf, die nichtflüchtige Komponenten wie etwa Pigmente bzw. Farbstoff enthalten, beispielsweise Rotwein, Lack oder Tinte. Die nichtflüchtigen Komponenten des Tropfens bilden nach erfolgter Verdunstung des Lösungsmittels eine näherungsweise ringförmige Ablagerung, die die ursprüngliche Kontur des Tropfens nachzeichnet.

Entstehungsmechanismus

Kaffeeringe entstehen, wenn der Rand eines liegenden oder hängenden Tropfens während der Verdunstung immobilisiert bleibt (engl. constant contact radius), die Flüssigkeit sich also nicht weiter ausbreitet (und/oder in den Untergrund einzieht, wie es bei porösen Materialien möglich wäre). Da die Verdunstung an den Tropfenrändern am schnellsten erfolgt, die Tropfenränder aber fixiert sind, strömt Flüssigkeit vom Zentrum des Tropfens zu den Rändern nach. Somit bewegen sich auch die im Tropfen enthaltenen nichtflüchtigen Bestandteile von dessen Zentrum zum Rand, wo diese sich abscheiden.

Da der Tropfen eine gewölbte (konvexe) Oberfläche besitzt, handelt es sich bei den Strömungsvorgängen innerhalb des Tropfens um eine kapillare Bewegung.

Unter Umständen können fast alle in der Flüssigkeit dispergierten Partikel an den Rand transportiert werden. Kurz vor der vollständigen Trocknung beschleunigt sich die Bewegegung der Teilchen.

Der bei Verdunstung einer Flüssigkeit auftretende Marangoni-Effekt kann die Partikel vom Rand wieder in die Mitte des Tropfens zurückführen. Der Kaffeeringeffekt tritt also nur in Flüssigkeiten auf, in denen der Marangonieeffekt schwach ausgeprägt ist ober behindert wird. Eine Reduzierung kann etwa durch Zugabe eines Netzmittels erreicht werden. In Wasser tritt der Marangoni-Effekt nur in geringem Umfang auf und wird durch natürliche Tenside noch verringert.

Flecken nach Verdunstung einer kolloidalen Mischung mit Polystyrolpartikeln im Durchmesser von 1,4 μm und Zellulosefasern mit einem Durchmesser von ~20 nm und einer Länge von ~1 μm. Der Polystyrolgehalt beträgt durchweg 0,1 Gewichts-%. Der Zellulosegehalt beträgt links 0, in der Mitte 0,01 und rechts 0,1 Gew.-%. Bereits eine geringe Zugabemenge der feinen Fasern behindert die Bewegung der Kunststoffpartikel.

Vermeidung der Kaffeering-Bildung

Die Vermeidung der Kaffeering-Bildung hat erhebliche technische Relevanz, etwa für den Tintenstrahldruck in der Herstellung gedruckter Elektronik.

Nach Forschungsergebnissen von Physikern der University of Pennsylvania kann der Kaffeering-Effekt durch die Veränderung der Form der suspendierten Teilchen vermindert werden. Überschreitet die Länge der suspendierten Teilchen das Dreifache der Breite, tritt der Kaffeering-Effekt nicht mehr auf.

Einzelnachweise

  1. 1 2 Robert D. Deegan, Olgica Bakajin, Todd F. Dupont, Greb Huber, Sidney R. Nagel, Thomas A. Witten: Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops. In: Nature. Band 389, Nr. 6653, 1997, S. 827–829, doi:10.1038/39827.
  2. 1 2 Dileep Mampallil, Huseyin Burak Eral: A review on suppression and utilization of the coffee-ring effect. In: Advances in Colloid and Interface Science. Band 252, Februar 2018, S. 38–54, doi:10.1016/j.cis.2017.12.008.
  3. ↑ R.G Picknett, R Bexon: The evaporation of sessile or pendant drops in still air. In: Journal of Colloid and Interface Science. Band 61, Nr. 2, September 1977, S. 336–350, doi:10.1016/0021-9797(77)90396-4.
  4. ↑ Duyang Zang, Sujata Tarafdar, Yuri Yu. Tarasevich, Moutushi Dutta Choudhury, Tapati Dutta: Evaporation of a Droplet: From physics to applications. In: Physics Reports. Band 804, April 2019, S. 1–56, doi:10.1016/j.physrep.2019.01.008.
  5. ↑ Robert D. Deegan, Olgica Bakajin, Todd F. Dupont, Greg Huber, Sidney R. Nagel, Thomas A. Witten: Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops. In: Nature. Band 389, Nr. 6653, 1997, S. 827–829, doi:10.1038/39827, bibcode:1997Natur.389..827D.
  6. 1 2 Yuto Ooi, Itsuo Hanasaki, Daiki Mizumura, Yu Matsuda: Suppressing the coffee-ring effect of colloidal droplets by dispersed cellulose nanofibers. In: Science and Technology of Advanced Materials. Band 18, Nr. 1, 2017, S. 316–324, doi:10.1080/14686996.2017.1314776, PMID 28567177, PMC 5439399 (freier Volltext), bibcode:2017STAdM..18..316O.
  7. ↑ H. Hu, R. G. Larson: Marangoni Effect Reverses Coffee-Ring Depositions. In: Journal of Physical Chemistry B. Band 110, Nr. 14, 2006, S. 7090–7094, doi:10.1021/jp0609232, PMID 16599468.
  8. ↑ R. Savino, D. Paterna, N. Favaloro: Buoyancy and Marangoni Effects in an Evaporating Drop. In: Journal of Thermophysics and Heat Transfer. Band 16, Nr. 4, 2002, ISSN 0887-8722, S. 562–574, doi:10.2514/2.6716.
  9. ↑ Laxmidhar Nayak, Smita Mohanty, Sanjay Kumar Nayak, Ananthakumar Ramadoss: A review on inkjet printing of nanoparticle inks for flexible electronics. In: Journal of Materials Chemistry C. Band 7, Nr. 29, 2019, S. 8771–8795, doi:10.1039/C9TC01630A.
  10. ↑ Das Mysterium des „Kaffeering-Effekts“ ist entschleiert. diepresse.com (17.08.2011), abgerufen am 22. Februar 2012.
  11. ↑ astropage.eu. Abgerufen am 22. Februar 2012.
  12. ↑ Peter J. Yunker, Tim Still, Matthew A. Lohr, A. G. Yodh: Suppression of the coffee-ring effect by shape-dependent capillary interactions. In: Nature. Band 476, Nr. 7360, August 2011, S. 308–311, doi:10.1038/nature10344.
  13. ↑ Wouter Sempels, Raf De Dier, Hideaki Mizuno, Johan Hofkens, Jan Vermant: Auto-production of biosurfactants reverses the coffee ring effect in a bacterial system. In: Nature Communications. Band 4, Nr. 1, 23. April 2013, S. 1757, doi:10.1038/ncomms2746, PMID 23612298.