Voor iedereen die zich heeft verwonderd over de rijk gekleurde lagen in een café latte, je bent niet alleen. Princeton-onderzoekers, ook geïntrigeerd, hebben nu onthuld hoe deze gelaagde structuur zich ontwikkelt wanneer espresso in hete melk wordt gegoten.

"De structuurvorming in een latte is verrassend omdat het evolueert vanuit het chaotische, eerste gieten en mengen van vloeistoffen in een zeer georganiseerde, duidelijke rangschikking van lagen, " zei Nan Xue, hoofdauteur van een paper waarin de bevindingen worden beschreven in Natuurcommunicatie , en een afgestudeerde student in het lab van Howard Stone, de Donald R. Dixon '69 en Elizabeth W. Dixon hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek aan Princeton.

Honingstechnieken voor het verkrijgen van gewilde lagen door vloeistoffen in elkaar te laten stromen, zouden de kosten en complexiteit in een reeks toepassingen kunnen verminderen.

"Vanuit een productieperspectief, een enkel gietproces is veel eenvoudiger dan het traditionele opeenvolgend stapelen van lagen in een gelaagd product, " zei Stone. "In één toepassing van deze studie, we onderzoeken de fysica achter het maken van een hele gelaagde structuur met één stap, in plaats van het één voor één stapelen van de lagen."

De inspiratie voor het onderzoeksproject kwam van een ongevraagde, gemailde foto van een gelaagde koffiedrank die naar Stone is gestuurd. Met Xue op zoek naar een project om aan te pakken toen hij aan zijn afstudeerwerk begon, hij onderzocht het concept aanvankelijk door lattes in het laboratorium te bereiden, met behulp van winkel gekochte koffie en melk.

Na verschillende pogingen, het werd Xue duidelijk dat binnen bepaalde parameters blijven, zoals temperaturen en gietsnelheden, toegestaan ​​voor een karakteristieke café latte. Deze inspanningen wezen op de onderliggende, kwantificeerbare fysica die betrokken moest zijn bij de vorming van vloeibare structuren.

Om hun model van latte-gelaagdheid nauwkeuriger te beheersen, Xue en collega's kozen voor een standaardrecept dat een barista zou doen huiveren:geverfd water dat de hete koffie vervangt, en zout, dichter water voor de warme melk.

Een paneel van lichtgevende diodes en een camera verlichtten en legden vervolgens de beweging van vloeistoffen in het brouwsel vast. De onderzoekers bezaaiden het mengsel met tracerdeeltjes, die het licht van een groene laserstraal verstrooide, om de interne dynamiek van de faux-latte verder te volgen, een techniek die deeltjesbeeldsnelheidsmeting wordt genoemd. Eindelijk, numerieke simulaties werden uitgevoerd om de verzamelde gegevens te vergelijken met verschillende modellen van het evoluerende systeem van vermenging van vloeistoffen.

De algehele analyse toonde aan dat het primaire mechanisme achter de gelaagdheid een fenomeen is dat bekend staat als dubbele diffusieve convectie. Het treedt op wanneer vloeistoffen van verschillende dichtheden worden opgestapeld, door de zwaartekracht gedreven om hun inhoud te mengen, warmte uitwisselen door de beweging van hun samenstellende materialen. Binnen een bepaald mengsel, dichter, koelere vloeistoffen zinken, terwijl lichter, warmere vloeistoffen stijgen. Dit dalen en stijgen stopt, echter, wanneer de lokale dichtheid in een regio binnen een latte een evenwicht nadert. Als resultaat, de vloeistof daar moet horizontaal stromen, in plaats van verticaal, het creëren van verschillende bands, of lagen.

Door hun experimenten, de onderzoekers onderzochten hoe ook de snelheid van de vloeistofinjectie van de warme melk van belang is. Als het te langzaam wordt gegoten, de dichtere vloeistof zal te gelijkmatig mengen als deze in de minder dichte vloeistof stroomt. Een snellere gietsnelheid zorgt ervoor dat de eerste door de laatste stoot en de snelle bewegingen veroorzaakt die uitmonden in de gewenste gelaagdheid wanneer dichtheidsevenwichten tot stand worden gebracht.

Er moet extra werk worden gedaan om het gelaagde effect dat in lattes wordt aangetoond te karakteriseren om de controle erover uit te breiden naar andere uitgestreken vloeistoffen en halfvaste stoffen. Maar de voorlopige bevindingen van Xue en zijn collega's hebben al aangetoond hoe de activiteit binnen een gewone drank tot ongebruikelijke inzichten kan leiden.

"Dit resultaat toont de schoonheid van vloeistofmechanica en is zeer belangrijk, " zei Detlef Lohse, een hoogleraar vloeistofmechanica aan de Universiteit Twente in Nederland die niet betrokken was bij het onderzoek. "Ik denk dat het van invloed zal zijn op verschillende industriële stromen en mengprocedures in de zogenaamde procestechnologie, waarin het mengen van vloeistoffen met verschillende dichtheden door de injectie van de een in de ander alomtegenwoordig is."

Lohse wees er verder op hoe het Princeton-onderzoek zou kunnen helpen bij het beter verklaren van warmte- en zoutgehalte-afhankelijke waterstromen in de uitgestrekte oceanen van de aarde, een fenomeen dat belangrijke implicaties heeft voor klimatologie en ecologie. "De meest ontzagwekkende bevinding is misschien dat er een perfecte analogie is tussen de gelaagdheid in een café latte, " zei Lohse, "en de bekende en uiterst relevante gelaagdheid van water met verschillende temperaturen en zoutconcentraties in de oceaan."