La formazione di una semplice macchia di caffè è oggetto da decenni di complessi studi, anche se risulta che rimangono alcune pietre ancora da girare. Ricercatori dell'Università del Nevada, Reno ha modellato come evapora una gocciolina colloidale e ha trovato un meccanismo precedentemente trascurato che determina in modo più accurato la dinamica della deposizione di particelle nelle goccioline sessili in evaporazione, che ha ramificazioni in molti campi del mondo tecnologico di oggi.

"Comprendere e manipolare la dinamica della deposizione di particelle durante l'evaporazione delle gocce colloidali può essere utilizzata nel sequenziamento del DNA, la pittura, stampa a getto d'inchiostro e fabbricazione di micro/nano-strutture ordinate, "Hassan Masud, professore a contratto presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, disse. "E ora lo capiamo meglio che mai. La nostra scoperta si basa su un ampio corpus di lavori; tuttavia abbiamo fatto un passo in più, modellare l'interazione delle particelle sospese con la superficie libera della goccia. Riteniamo che i nostri risultati cambieranno radicalmente la percezione comune sul meccanismo responsabile del cosiddetto fenomeno dell'anello di caffè".

Quando una goccia si asciuga su una superficie, le particelle in esso sospese di solito si depositano in uno schema ad anello, lasciando una macchia o un residuo, chiamato effetto anello di caffè. Fino ad ora, si pensava che la macchia si formasse a causa del flusso di fluido all'interno della goccia. Masoud e il suo team hanno scoperto che la superficie libera della gocciolina, lo strato superiore dove è a contatto con l'aria, svolge un ruolo critico nella deposizione delle particelle.

"Quando la goccia evapora, la superficie libera collassa e intrappola le particelle sospese, " Ha detto Masoud. "La nostra teoria mostra che alla fine tutte le particelle vengono catturate dalla superficie libera e rimangono lì per il resto del loro viaggio verso il bordo della goccia".

Masoud e il suo team hanno utilizzato un sistema di modellazione meno familiare, noto come sistema di coordinate toroidali, che ha permesso loro di ridurre le equazioni di governo tridimensionali in una forma unidimensionale. Nonostante una discreta quantità di spazio e velocità del server, il team ha deciso di scrivere a mano le sue numerose equazioni, su dozzine di pezzi molto grandi di carta da giornale.

"Il nostro approccio innovativo - e l'utilizzo di alcune equazioni brutte - distingue il nostro lavoro dalle ricerche precedenti, " ha detto. "Nessun altro ha usato questo sistema di coordinate per questo problema, e questo ci permette di seguire in modo naturale il movimento delle particelle nella goccia."

La scoperta consente agli scienziati di manipolare il movimento delle particelle di soluto alterando la tensione superficiale dell'interfaccia liquido-gas invece di controllare il flusso di massa all'interno della goccia.

"Possiamo usare tensioattivi per modificare la tensione superficiale, " Ha detto Masoud. "In un semplice esempio, se stai pulendo i pannelli solari, che possono perdere fino al 90% della loro efficienza quando sono sporchi, il metodo di pulizia preferito è l'acqua, ma questo lascia una macchia difficile da cancellare. La modifica della dinamica del flusso durante l'evaporazione con un detergente specializzato può lasciare i pannelli più puliti ed efficienti."

Il loro documento sottoposto a revisione paritaria, "Meccanismo alternativo per la deposizione di anelli di caffè basato sul ruolo attivo della superficie libera, " è stato pubblicato il 12 dicembre nella pubblicazione dell'American Physical Society Revisione fisica E .