Bildandet av en enkel kaffefläck har varit föremål för komplexa studier i årtionden, även om det visar sig att det finns några stenar kvar att vända. Forskare vid University of Nevada, Reno har modellerat hur en kolloidal droppe avdunstar och hittat en tidigare förbisedd mekanism som mer exakt bestämmer dynamiken för partikelavsättning i förångande fastsittande droppar, som har förgreningar inom många områden av dagens tekniska värld.

"Förstå och manipulera dynamiken i partikelavsättning under avdunstning av kolloidala droppar kan användas i DNA-sekvensering, målning, bläckstråleutskrift och tillverkning av beställda mikro/nano-strukturer, "Hassan Masoud, biträdande professor vid institutionen för maskinteknik, sa. "Och nu förstår vi det bättre än någonsin tidigare. Vår upptäckt bygger på ett stort arbete, men vi tog ett extra steg, modellering av interaktionen mellan suspenderade partiklar och droppens fria yta. Vi tror att våra resultat i grunden kommer att förändra den vanliga uppfattningen om den mekanism som är ansvarig för det så kallade "kaffe-ring"-fenomenet."

När en droppe torkar på en yta, partiklarna suspenderade i den avsätts vanligtvis i ett ringliknande mönster, lämnar en fläck eller rester, kallas kafferingeffekten. Tills nu, fläcken troddes bildas som ett resultat av vätskeflödet inuti droppen. Masoud och hans team fann att droppens fria yta, det översta lagret där det är i kontakt med luften, spelar en avgörande roll i avsättningen av partiklarna.

"När droppen avdunstar, den fria ytan kollapsar och fångar de suspenderade partiklarna, " sa Masoud. "Vår teori visar att alla partiklar så småningom fångas upp av den fria ytan och stannar där under resten av sin resa mot droppens kant."

Masoud och hans team använde ett mindre bekant modellsystem, känt som det toroidala koordinatsystemet, som tillät dem att reducera de tredimensionella styrande ekvationerna till en endimensionell form. Trots en anständig mängd serverutrymme och hastighet, laget valde att skriva ut sina många ekvationer på långa vägar, på dussintals mycket stora stycken nyhetspapper.

"Vårt innovativa tillvägagångssätt - och med några fula långa ekvationer - skiljer vårt arbete från tidigare forskning, " sa han. "Ingen annan har använt det här koordinatsystemet för det här problemet, och detta tillåter oss att spåra partiklarnas rörelse i droppen på ett naturligt sätt."

Upptäckten gör det möjligt för forskare att manipulera rörelsen hos lösta partiklar genom att ändra ytspänningen i vätske-gasgränssnittet snarare än att kontrollera bulkflödet inuti droppen.

"Vi kan använda ytaktiva ämnen för att justera ytspänningen, ", sa Masoud. "I ett enkelt exempel, om du rengör solpaneler, som kan förlora upp till 90 procent av sin effektivitet när den är smutsig, den föredragna metoden för rengöring är vatten, men det lämnar efter sig en fläck som är svår att torka bort. Att ändra flödesdynamiken under avdunstning med ett specialiserat rengöringsmedel kan göra panelerna renare och mer effektiva."

Deras peer-reviewed papper, "Alternativ mekanism för avsättning av kafferingar baserat på den aktiva rollen av fri yta, " publicerades den 12 december i American Physical Societys publikation Fysisk granskning E .