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Strömungsmechanik: Forscher stoppen Kaffeeflecken-Phänomen mit Salz

Ringförmig eintrocknende Kaffeeflecken faszinieren Strömungsmechaniker und Laien, und man kann das Phänomen mittlerweile gut erklären. Gut stoppen konnte es bis jetzt niemand.
Kleiner KaffeerandLaden...

Das Kaffeeringphänomen ist seit einigen Jahren der Hit unter Strömungsmechanikern und faszinierten Laien. Untersucht werden dabei die kreisförmigen Flecken mit merkwürdig deutlich abgesetztem dunklem Rand, die eintrocknende Flüssigkeiten stets auf festen Oberflächen hinterlassen. Besonders spannende Flecken machen der namensgebende Kaffee und andere mit größeren Schwebeteilchen versetzte Lösungen, daneben hinterlassen aber zum Beispiel auch Whiskeys, Whiskys und andere Spirituosen für den Fachmann klar identifizierbare Fleckenprofile. Die Forschung ist also beim Beschreiben und Erklären des Phänomens recht weit gekommen – chinesische Forscher stellen jetzt im Fachblatt »Chinese Physics Letters« aber auch eine simple Methode vor, die Physik des Eintrocknens zu beeinflussen und sicher ringfrei hinzubekommen. Ihr Trick: Salz.

Die von Kaffee und ähnlichen Lösungen verursachten Ringflecken entstehen durch das differenzierte Verhalten der verschieden großen Schwebeteilchen in der Flüssigkeit: Diese werden unterschiedlich stark von Kapillarkräften bewegt und interagieren an den Grenzflächen zwischen Wasser und Luft am Tropfenrand. Der Prozess des Eintrocknens sortiert sie im Prinzip also nach Größe und Form. Der Prozess kann damit in diversen technischen Anwendungen zum Problem werden, bei denen Partikel sich beim Trocknen sehr gleichmäßig ablagern müssen. Daher erforschen Wissenschaftler ständig weitere Details der Kaffefleckenphysik mit dem Ziel, sie womöglich sicher beeinflussen zu können.

Unterschätzt waren nach Ansicht von Haiping Fang von der East China University of Science and Technology und Guosheng Shi von der Shanghai-Universität bestimmte Wechselwirkungen der π-Elektronen und der positiv geladenen chemischen Gruppen der schwebenden Teilchen. Vermutet wurde, dass diese keine große Rolle spielen, weil die Kationen in wässriger Lösung hydratisiert sind, also von angelagertem H2O abgeschirmt werden. Das stimmt aber nicht ganz, wie Shi, Fang und ihre Kollegen beobachtet haben: Auch zunächst hydratisierte Kationen binden über π-Brücken an Oberflächen, und zwar auch an solche wie Kohlenstoffnanoröhrchen oder Graphen; bei denen stört das, weil ein sehr gleichmäßiges Trocknen gewünscht ist. Die Forscher haben daher eine Versuch unternommen, diese Wechselwirkung auf eine möglichst einfache Weise zu unterbinden.

Als geeignet erwies sich die Zugabe von Salz, wie Experimente belegen: Selbst unter dem Mikroskop sind keine Ringe mehr in einem eingetrockneten Fleck zu erkennen, wenn einer bei 10 Grad Celsius trocknenden polystyrolhaltigen Testsubstanz oder einem heißen geschmolzenen Glas beim Abkühlen zuvor Natriumsalz beigefügt wurde. Ohne Salz bildet sich dagegen der typische Ring. Offensichtlich greifen die Ionen des Salzes massiv in die chemischen Prozesse ein, sagen die Forscher nach Simulationen der molekulären Dynamik in den Salzlösungen: Starke Wechselwirkungen von π-Elektronen von aromatischen Anhängen auf den Schwebeteilchen und den hydratisierten Salzkationen halten die Partikel ab einer bestimmten Salzkonzentration in der Lösung verteilt und verhindern so den Kafferingeffekt beim Eintrocknen.

Das funktioniert mit unterschiedlichen Salzen mit unterschiedlichen Kationen: Lithium-, Kalium-, Magnesium- und Kalziumchloridsalz hatten sämtlich ähnliche Effekte bei unterschiedlichen Konzentrationen und auf unterschiedliche Suspensionen mit vergleichbar organochemischen Anhängen und aromatischen Gruppen. Es sei gut denkbar, dass weitere Salze ebenso einsetzbar sind, um die Flecken produzierende Schwebeteilchensortierung beim Trocknen zu bremsen. Die Forscher arbeiten daher daran zu testen, welche Effekte Eisen-, Kobald-, Kupfer-, Blei- oder Kadmiumkationen haben – und ob verschiedene Kationen unterschiedliche Lösungen besonders stark beeinflussen. Endziel sollte nach Ansicht der Wissenschaftler sein, störende Kaffeeringeffekte bei unterschiedlichen technischen Prozessen durch besonders geeignete Salzlösungen gezielt zu bremsen.

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