Warum sind Kaffeeflecken an den Rändern immer dunkler und innen heller? Dahinter verbirgt sich ein interessantes wissenschaftliches Mysterium

Jeder hat im Leben schon einmal die Erfahrung gemacht, dass er versehentlich Kaffee, Tee oder andere Getränke verschüttet. Während Sie beschäftigt und aufgeregt sind, frage ich mich, ob Sie solch ein magisches Phänomen bemerkt haben: Wenn Sie versehentlich etwas verschütten oder Kaffee auf den Tisch tropfen lassen, bildet sich nach dem Trocknen ein ringförmiger Fleck mit einer dunklen Außenschicht und einer hellen Innenschicht .

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Im Gegensatz zu klarem, reinem Wasser können aufgebrühte Getränke wie Kaffee und Tee gewissermaßen als Lösungen (genau genommen eine Mischung aus Lösungen und Suspensionen) klassifiziert werden, und die im Wasser gelösten Substanzen zeigen intuitiv ihre Farbe.

Nehmen wir als Beispiel den Kaffee, den wir oft trinken. Seine dunkelbraune Farbe entsteht durch die Rußsubstanzen, die nach dem Rösten und Extrahieren der Kaffeebohnen entstehen. Nach dem Aufbrühen des Kaffees werden diese Substanzen zu mehreren kleinen Partikeln, die in der Flüssigkeit suspendiert sind . Dies ist bei Kaffee- oder Teeflecken der Fall, die wir versehentlich auf unsere Kleidung oder Tische fallen lassen.

Obwohl wir wissen, dass die Farbe dieser Flecken durch kleine Partikel verursacht wird, stellt sich die Frage, was bewirkt, dass sich diese kleinen Partikel letztendlich in einen Ring verwandeln?

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Woher wissen die Leute vom Kaffeeringeffekt?

Für die meisten normalen Menschen ist der Kaffeeringeffekt lediglich ein zufälliges Phänomen im Leben. Doch in den Augen der Physiker steckt dahinter ein großes Mysterium. Im Jahr 1997 veröffentlichten die Physiker Sidney Nagel und Thomas Witten von der Universität Chicago und andere in der Zeitschrift Nature einen Artikel über den „ Kaffeeringeffekt “.

In diesem Artikel wurde der Kaffeeringeffekt erstmals formal beschrieben, der Schwerpunkt der Arbeit lag jedoch noch immer auf suspendierten sphärischen Partikeln. Später, als ähnliche Forschungen immer weiter vertieft wurden, verstand man allmählich, welche Rolle die Form der Schwebeteilchen spielt.

In der Folgezeit tauchten immer mehr Forschungsergebnisse auf, die sich mit der Überwindung des „Kaffeering-Effekts“ befassen. Ein Physikerteam der University of Pennsylvania hofft beispielsweise, die Form der Partikel in der Lösung zu verändern, um den Kaffeeringeffekt zu zerstören und neue Wege zu finden, um eine gleichmäßige Ablagerung fester Partikelschichten zu erreichen.

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Was verursacht den „Kaffeering-Effekt“

Obwohl der Kaffeeringeffekt nach Kaffee benannt ist, dürfte es sich im weiteren Sinne um ein Phänomen handeln, das auftritt, wenn eine „Lösung“ auf einer festen Oberfläche verdunstet.

Auch der Entstehungsprozess der erkennbaren farbigen Ringe, dargestellt durch Kaffeeringe, ist relativ intuitiv: Wenn eine Lösung auf einen Tisch oder ein Papier tropft, bildet sich durch die Verdunstung des Tropfens kein Kreis, der proportional allmählich kleiner wird, sondern es entsteht eine Ringform mit mehr gelösten Teilchen außen und weniger gelösten Teilchen innen.

Bildquelle: Chemical Instrument Network

Dies liegt daran, dass das Verdunsten des Wassers im Tropfen durch die unterschiedlichen Wechselwirkungen zwischen der Fest-Flüssig-Grenzfläche zwischen Tisch und Flüssigkeit und der Gas-Flüssig-Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Luftoberfläche beeinflusst wird. Dies führt zu unterschiedlichen Verdunstungsraten des Wassers an verschiedenen Positionen des Tropfens, was die Bildung von Kaffeeringen fördert.

An der Schnittstelle zwischen Schreibtisch oder Papier und Tropfen ist die Verdunstungsrate des Wassers höher als an der Schnittstelle zwischen Tropfen und Luft. Auf diese Weise transportieren die Wassermoleküle in der Mitte des Tropfens gelöste Stoffe und Partikel zum Rand des Tropfens und auf die Arbeitsfläche oder das Papier, wo sie wieder aufgefüllt werden. Schließlich sammeln sich nach der Verdunstung des Wassers weiterhin kleine gelöste Partikel am Rand an und bilden einen „Ring“.

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Kleine Entdeckungen und große Anwendungen

Der Kaffeeringeffekt ist nicht nur ein interessantes kleines Phänomen im Leben, sein Auftreten bringt tatsächlich einige lästige Probleme für die Produktion und das Leben der Menschen mit sich. Beispielsweise ist auch ein ungleichmäßiger Tintenstrahl eines Druckers eine Ausprägung des „Kaffeering-Effekts“.

Um dieses Problem zu lösen, begannen Wissenschaftler nach Möglichkeiten zu suchen, nach der Verdunstung der Tröpfchen eine gleichmäßige feste Schicht zu bilden. Später stellten sie fest, dass sie zur Lösung dieses Phänomens die Eigenschaften der Schwebeteilchen ändern mussten . Wissenschaftler haben herausgefunden, dass unterschiedliche Partikelformen die Eigenschaften des Films an der Grenzfläche zwischen Luft und Flüssigkeit verändern und dadurch den Verdampfungsprozess beeinflussen können.

Unter den gleichen Bedingungen verändern elliptische Partikel die Grenzfläche zwischen Luft und Flüssigkeit. Obwohl diese Forschung noch nicht vollständig ausgereift ist, arbeiten Wissenschaftler weiterhin daran, den „Kaffeeringeffekt“ durch Veränderung der Form der Schwebeteilchen zu beseitigen. Diese Entdeckung offenbarte jedoch direkt die Auswirkung der Partikelform auf die Verdunstung und führte dazu, dass Druck- und Malverfahren effektiv verbessert werden konnten.

Wissenschaftler untersuchen die Wirkung von Partikeln unterschiedlicher Form auf die Verdunstung

Quelle | „Kontrolle der Tropfenverdampfung auf ölbeschichteten Oberflächen zur Synthese von“

Darüber hinaus „glänzt“ der Kaffeeringeffekt auch im biologischen und medizinischen Bereich. In der medizinischen Diagnose kombinieren Wissenschaftler den „Kaffeeringeffekt“ mit Biosensortechnologie, um Biomarker in Körperflüssigkeiten wie Speichel und Blut zu erkennen. Auf dieser Grundlage haben Forscher der Vanderbilt University in den USA eine Methode zur schnellen Erkennung von Malaria entwickelt.

Da es sich um eine hoch ansteckende Krankheit handelt, ist die schnelle Erkennung von Malaria ein wichtiges Mittel zur Verhinderung und Eindämmung der Ausbreitung der Infektion. Bei dieser Nachweismethode fügen die Forscher der zu testenden Flüssigkeit drei Arten von Partikeln hinzu (eines, das rot fluoresziert, eines, das grün fluoresziert, und eines, das magnetisch ist, aber nicht fluoresziert). Wenn ein Wassertropfen, der diese drei Partikel enthält, unter dem Einfluss eines Magnetfelds trocknet, sammeln sich die beiden Arten von Partikeln, die Fluoreszenz aussenden können, am Rand des Tropfens und erscheinen als gelber Ring aus überlappendem grünem und rotem Licht.

Die magnetischen Partikel reagieren chemisch mit einem speziellen Protein, das vom Krankheitserreger Plasmodium abgesondert wird, und verbinden sich mit den grün fluoreszierenden Partikeln. Beide farbigen Partikel bleiben erhalten und zeigen einen roten Ring + einen grünen Punkt. Durch die Bestimmung von Farbe und Form lässt sich am intuitivsten erkennen, ob eine Plasmodium-Infektion vorliegt.

Bildquelle: Science World

Darüber hinaus macht der Kaffeeringeffekt auch darauf aufmerksam, dass mehrere gelöste Stoffe in derselben Lösung entsprechend der unterschiedlichen Partikelgröße getrennt werden können. Beispielsweise haben die Partikel, die sich an der äußersten Seite des Kaffeerings konzentrieren, den kleinsten Durchmesser, während der Durchmesser an der Innenseite des Kaffeerings größer ist. Mit diesem Prinzip lässt sich eine Stofftrennung erreichen.

Newton wurde von einem Apfel am Kopf getroffen und begann daraufhin, auf die Schwerkraft zu achten. Vielleicht liegen die Geheimnisse der Wissenschaft in diesen subtilen Phänomenen des Lebens verborgen und warten darauf, von den Menschen erforscht zu werden. Wenn Sie das nächste Mal Kaffee trinken und etwas davon versehentlich auf den Tisch tropft, können Sie sich die Zeit nehmen, ihn sauber zu wischen und sich neue Anwendungsmöglichkeiten für den Kaffeeringeffekt auszudenken.

Rezension｜Miao Guangyao, PhD in Festkörperphysik

Quelle: Digital Beijing Science Center

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