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Fluidität: Nanowelt kennt keinen Kaffeefleckenrand

Kleiner KaffeerandLaden...
Wenn ein Kaffeefleck eintrocknet, tut er dies nie gleichmäßig – stets hinterlässt er bräunlich-kreisförmige Ränderspuren statt eines uniformen Kleckses. Verantwortlich dafür ist, vereinfacht zusammengefasst, ein beim Verdunsten der Flüssigkeit auftretendes Kräftespiel: Am Rand der Kaffeepfütze verdampft Flüssigkeit schneller als in der Mitte, weil das Tröpfchen aufgrund der Oberflächenspannung mittig erhaben ist, was am flacheren Rand ein der Verdunstungsgeschwindigkeit zuträglicheres Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen des lokalen Wasserkörpers herstellt. Das am Rand schnell verdunstende Wasser erzeugt nun einen Sog und sorgt so für eine Nachschubströmung aus der Mitte des Tropfens. Mit ihr wird auch das Gros der braunen Farbpartikel mitgerissen – diese trocknen ergo vor allem am Rand ein.

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Kleiner Kaffeerand | Kaffeeflecken hinterlassen beim Trocknen stets einen Ring, in dem die braunen Partikel sich häufen – zumindest in der makroskopischen Welt. Ob auch bei extrem geringen Flüssigkeitsmengen der Kaffee einheitlich trocknet, haben jetzt Wissenschaftler untersucht. Die Erkenntnisse sollen den Bau von Nanosensoren voranbringen.
So weit – so simplifiziert. Die Gemeinde der Mikro- und Nanowissenschaftler möchte das Prozessgeschehen des Kaffeerings aber weit genauer beschrieben sehen, weil die Funktion zukünftiger Nanogerätschaften mit ähnlichen Prozessen stehen und fallen könnten. Findet ein analoges Strömungsverhalten zum Beispiel auch in den winzigen Flüssigkeitsmengen statt, die zur Oberflächenbeschichtung verwendet werden, oder in denen Nanobiosensoren in Zukunft minimale Konzentrationen messen sollen? Könnte ein ähnlicher Partikelfluss sogar genutzt werden, um Strukturen in Nanotropfen gezielt zu separieren oder zusammenzuführen?

Chih-Ming Ho von der University of California in Los Angeles machte mit seinem Team nun die Probe aufs Exempel – er eruierte mit einer Reihe von Eintrocknungsversuchen auf unterschiedlichen Oberflächen das minimale Flüssigkeitsvolumen, das nach dem Verdampfen noch einen Kaffeering hinterlassen kann. Das Ergebnis im Detail: Partikel von 100 Nanometern Durchmesser verteilen sich gleichmäßig in einem Tropfen von etwa 10 Mikrometern Durchmesser. Oberhalb dieser Grenze verdampft die Flüssigkeit langsam genug, um noch einen randwärts gerichteten Partikelstrom zu erzeugen – also einen Verdunstungsrand. Unterhalb dieses Grenzwertes bleibt ein uniformer Fleck – der Nachschubstrom ist langsamer als die Verdunstung.

Ho freut sich: Mit diesem Wissen könnte man beim Zusammenbau von Nanogeräten nahe an das theoretische Limit herangehen – und, zum Beispiel, "Tausende, ja Millionen von Biosensoren" auf einen Chip packen, der dann viele Analyseschritte parallel durchführen könnte. (jo)
19. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 19. KW 2010

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  • Quellen
Shen, X. et al.: Minimal Size of Coffee Ring Structure. In: Journal of Physical Chemistry B 114 (16), S. 5269–5274, 2010.

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