Een internationaal onderzoeksteam, geleid door Monash University, heeft voor het eerst het mysterie achter de vorming van 'koffieringen' ontdekt door de contacthoek van druppels op een oppervlak te onderzoeken, en hoe ze drogen.

De onderzoekssamenwerking tussen Monash University en Cambridge University ontwikkelde ook een wiskundig model dat kan voorspellen wanneer een koffiering kan worden waargenomen in systemen met harde sferische deeltjes.

Professor Gil Garnier, Directeur van BioPRIA (Bioresource Processing Research Institute of Australia) bij de afdeling Chemical Engineering aan de Monash University, leidde een internationaal team om te onderzoeken hoe patronen werden gevormd door verdampende druppeltjes - een fenomeen dat natuurkundigen al jaren verbijstert.

Professor Garnier zei dat deze ontdekking, gemaakt door Dr. Michael Hertag van BioPRIA, deuren kunnen openen in de bloeddiagnostiek, vooral voor de ontdekking van behandelingen voor bloedarmoede en andere bloedziekten.

Patroonvorming komt veel voor bij het drogen van colloïdale vloeistoffen, zoals melk, koffie, verf, spuitbussen, en in bloed.

Het meest voorkomend in druppeltjes is een ringverdeling waarbij de vloeistofdeeltjes naar de rand zijn verplaatst, die een koffiering wordt genoemd, bij het drogen. Deze afzetting is ongunstig in veel productieprocessen en is van fundamenteel belang voor experts in de bouw, medisch, en technische beroepen.

Ze concludeerden dat de contacthoeken waaronder een druppel op een nat oppervlak wordt geplaatst, de prevalentie van koffiehoeken bepaalt. Wanneer de druppel onder een hoge contacthoek wordt geplaatst, er zijn geen koffieringen aanwezig.

"Ons onderzoek identificeerde de contacthoek gevormd door de suspensie van druppels op het oppervlak en het vastestofgehalte als de twee belangrijke bepalende variabelen voor de vorming van koffieringen, ' zei professor Garnier.

"Hoewel eerder succesvol modelleren is bereikt, laten we hier voor het eerst zien dat voor elke contacthoek, er is een kritische initiële colloïde volumefractie waarover geen ringachtig patroon zal worden gevormd.

"Eigenlijk, hoe lager de contacthoek, hoe groter de kans dat ringprofielen worden gevonden."

Wanneer een druppel op een oppervlak wordt geplaatst, het bereikt snel een schijnbare evenwichtspositie die kan, voor kleine druppeltjes, uitsluitend worden gedefinieerd door de contacthoek en -straal.

De snelheid van verdamping en de variatie van massavloeibaarheid op het oppervlak van de druppel is afhankelijk van vele factoren, inclusief de dampdruk van de vloeistof, de geometrie van het oppervlak van de druppel en de snelheid en partiële druk van de omringende atmosfeer.

Droogexperimenten werden uitgevoerd door een druppel van 6 µl oplossing op een substraat te plaatsen met een Eppendorf-pipet. De druppel liet men drogen in een kamer met gecontroleerde vochtigheid en temperatuur die op 23°C en 50 procent relatieve vochtigheid werd gehouden.

"We hebben aangetoond dat de aanwezigheid of afwezigheid van een koffiering alleen kan worden voorspeld door de initiële volumefractie van deeltjes in een suspensie en de contacthoek gevormd door de suspensie op het betreffende oppervlak, ' zei dokter Garnier.

"Met behulp van deze bevinding, vervolgens konden we een model berekenen om koffieringvorming te voorspellen vanuit contacthoeken met behulp van een aantal vloeistofdruppels.

"Deze modelleringstechniek en de resulterende inzichten zijn nieuwe krachtige hulpmiddelen om productie- en diagnostische technieken te optimaliseren."