Heeft u weleens gedacht aan wat er gebeurt als u een druppel met daarin opgeloste deeltjes langzaam laat verdampen? Hanneke Gelderblom, wetenschapster aan de Universiteit Twente heeft hier onderzoek naar gedaan. Ze bestudeerde de natuurkunde achter het ontstaan van koffievlekken.
In 1997 publiceerde een wetenschapper aan de Universiteit van Chicago een artikel over de vraag hoe het komt dat koffievlekken ontstaan. U kent die vlekken vast ook wel als u weleens koffie heeft gemorst, er ontstaat dan aan de buitenkant een donkere ring, terwijl de binnenkant van de vlek veel lichter is. Binnen de universitaire wereld is veel interesse in de vraag hoe zo’n vlek ontstaat. Gelderblom vertelt: “Er zijn veel industriële toepassingen waar ze gebruik willen maken van het koffievlekeffect. Daarnaast zijn allerlei vakgebieden waar je deze vlekken juist wil voorkomen. Denk bijvoorbeeld aan printers of aan de coatingindustrie. In beide gevallen is het noodzakelijk dat je precies weet hoe de vlekken ontstaan.”
De methode van onderzoek was eenvoudig: een druppel water met daarin kleine deeltjes (polystyreenbolletjes) van een micrometer groot op een oppervlak. Tijdens het onderzoek werd nauwkeurig nagegaan wat er gebeurt als de druppel langzaam verdampt. Gelderblom vervolgt haar verhaal over haar onderzoek: “Zo’n simpele basis is ideaal om experimenten mee te doen, omdat je alles redelijk goed in modellen kunt vangen. Er was nog erg veel onbekend. Wat ik erg leuk vind aan fundamenteel onderzoek is het begrijpen van heel basale dingen. Theorie en experiment gingen hand in hand bij dit onderzoek.”
Wat opviel tijdens het onderzoek van Gelderblom was dat bij kringen die achterblijven na verdamping de deeltjes in de rand veel meer geordend zijn, terwijl ze aan de binnenkant veel minder netjes geordend zijn. Na onderzoek kon zij dit verklaren in het samenspel van drie factoren: druppelverdamping, vloeistofstroming en het transport van de deeltjes. Tijdens het onderzoek liet Gelderblom in een ander experiment de druppel met de deeltjes verdampen op een superhydrofoob oppervlak. Dit is een materiaal dat extreem waterafstotend is. Na de verdamping van de druppel bleek dat de deeltjes zich netjes geordend hadden tot een bolletje. Gelderblom: “De ordening van de deeltjes benaderde de dichtste bolstapeling, de theoretisch best mogelijke stapeling van deeltjes.” Een doorbraak van het onderzoek van Gelderblom is dat zij erin geslaagd is om de stroming in de rand van de druppel wiskundig te modelleren. Deze stroming blijkt onder meer afhankelijk van de hoek die de druppel met de ondergrond maakt.
