För alla som har förundrats över de rikt färgade lagren i en café latte, du är inte ensam. Princeton forskare, likaså intresserad, har nu avslöjat hur denna skiktade struktur utvecklas när espresso hälls i varm mjölk.

"Strukturbildningen i en latte är överraskande eftersom den utvecklas från det kaotiska, initial hällning och blandning av vätskor till en mycket organiserad, distinkt arrangemang av lager, sa Nan Xue, huvudförfattare till en artikel som beskriver resultaten i Naturkommunikation , och en doktorand i Howard Stones labb, Donald R. Dixon '69 och Elizabeth W. Dixon professor i maskin- och rymdteknik vid Princeton.

Finslipningstekniker för att ge eftertraktade lager genom att flöda in vätskor i varandra kan minska kostnader och komplexitet i en rad tillämpningar.

"Ur ett tillverkningsperspektiv, en enda hällningsprocess är mycket enklare än den traditionella sekventiella staplingen av lager i en skiktad produkt, " sade Stone. "I en tillämpning av denna studie, vi utforskar fysiken bakom att skapa en hel skiktad struktur med ett steg, istället för att stapla lagren en i taget."

Inspirationen till forskningsprojektet kom från en oönskad, mejlade bild på en kaffedrink i lager skickad till Stone. När Xue letade efter ett projekt att ta sig an när han började sitt examensarbete, han undersökte först konceptet genom att förbereda lattes i labbet, med köpt kaffe och mjölk.

Efter flera försök, det blev tydligt för Xue att man bara håller sig inom vissa parametrar, såsom temperaturer och hällhastigheter, tillät en karaktäristisk café latte. Dessa ansträngningar antydde det underliggande, kvantifierbar fysik som måste vara involverad i dess flytande strukturbildning.

För att mer exakt kontrollera deras modell av latte-lager, Xue och kollegor valde ett stand-in recept som skulle få en barista att rysa:färgat vatten som ersätter det varma kaffet, och salt, tätare vatten för den varma mjölken.

En panel av lysdioder och en kamera lyste sedan upp och fångade vätskornas rörelse i hopkoket. Forskarna sådde blandningen med spårpartiklar, som spred ljus från en grön laserstråle, för att ytterligare spåra faux-lattens interna dynamik, en teknik som kallas partikelbildhastighet. Till sist, numeriska simuleringar kördes för att jämföra de insamlade data med olika modeller av det utvecklande systemet med blandande vätskor.

Den övergripande analysen visade att den primära mekanismen bakom skiktningen är ett fenomen som kallas dubbeldiffusiv konvektion. Det uppstår när staplade vätskor med olika densiteter, tvingad av gravitationen att blanda innehållet, utbyta värme genom rörelse av deras beståndsdelar. Inom en given blandning, tätare, kallare vätskor sjunker, medan lättare, varmare vätskor stiger. Detta sjunkande och stigande slutar, dock, när den lokala tätheten i en region inom en latte närmar sig en jämvikt. Som ett resultat, vätskan där måste flöda horisontellt, snarare än vertikalt, skapa distinkta band, eller lager.

Genom sina experiment, forskarna undersökte hur hastigheten för vätskeinjektionen av den varma mjölken också spelar roll. Om den hälls för långsamt, den tätare vätskan kommer att blandas för jämnt när den rinner in i den mindre täta vätskan. En snabbare hällhastighet gör att den förra slår igenom den senare och utlöser de snabba rörelserna som kulminerar i den önskade skiktningen när densitetsjämvikt är etablerad.

Ytterligare arbete behöver göras för att karakterisera skiktningseffekten som visas i lattes för att utöka kontrollen av den till andra utjämnade vätskor och halvfasta ämnen. Men de preliminära fynden från Xue och hans kollegor har redan visat hur aktiviteten inom en gemensam dryck kan leda till ovanliga insikter.

"Detta resultat visar skönheten med vätskemekanik och är mycket betydelsefullt, sa Detlef Lohse, en professor i vätskemekanik vid University of Twente i Nederländerna som inte var involverad i studien. "Jag tror att det kommer att ha betydelse för olika industriella flöden och blandningsprocedurer inom så kallad processteknik, där blandning av vätskor med olika densiteter genom injektion av den ena i den andra är allestädes närvarande."

Lohse påpekade vidare hur Princeton-forskningen kunde hjälpa till att bättre förklara värme- och salthaltsberoende vattenflöden i jordens stora hav, ett fenomen som har viktiga konsekvenser inom klimatologi och ekologi. "Det mest fantastiska fyndet kan vara att det finns en perfekt analogi mellan skiktningen i en café latte, sade Lohse, "och den kända och extremt relevanta skiktningen av vatten med olika temperaturer och saltkoncentrationer i havet."