Per chiunque si sia meravigliato degli strati riccamente colorati in un caffè latte, non sei solo. ricercatori di Princeton, ugualmente incuriosito, hanno ora rivelato come si sviluppa questa struttura a più livelli quando l'espresso viene versato nel latte caldo.

"La formazione della struttura in un latte è sorprendente perché evolve dal caotico, versamento iniziale e miscelazione dei fluidi in un sistema molto organizzato, disposizione distinta degli strati, " disse Nan Xue, autore principale di un articolo che descrive i risultati in Comunicazioni sulla natura , e uno studente laureato nel laboratorio di Howard Stone, il Donald R. Dixon '69 e Elizabeth W. Dixon Professore di ingegneria meccanica e aerospaziale a Princeton.

Le tecniche di levigatura per ottenere strati ricercati facendo scorrere liquidi l'uno nell'altro potrebbero ridurre i costi e la complessità in una vasta gamma di applicazioni.

"Dal punto di vista della produzione, un unico processo di colata è molto più semplice rispetto al tradizionale accatastamento sequenziale di strati in un prodotto stratificato, " ha detto Stone. "In un'applicazione di questo studio, stiamo esplorando la fisica alla base della creazione di un'intera struttura a strati con un solo passaggio, piuttosto che impilare gli strati uno per uno."

L'ispirazione per il progetto di ricerca è venuta da un non richiesto, l'immagine inviata via e-mail di una bevanda a base di caffè a strati inviata a Stone. Con Xue alla ricerca di un progetto da intraprendere quando ha iniziato il suo lavoro di laurea, ha inizialmente studiato il concetto preparando i latticini in laboratorio, usando caffè e latte acquistati in negozio.

Dopo diversi tentativi, divenne chiaro a Xue che rimanendo entro certi parametri, come temperature e velocità di colata, consentito un caratteristico caffellatte. Questi sforzi hanno suggerito il sottostante, fisica quantificabile che doveva essere coinvolta nella formazione della sua struttura liquida.

Per controllare più precisamente il loro modello di stratificazione del latte, Xue e colleghi hanno optato per una ricetta sostitutiva che farebbe rabbrividire un barista:acqua tinta in sostituzione del caffè caldo, e salato, acqua più densa per il latte caldo.

Un pannello di diodi emettitori di luce e una telecamera hanno quindi illuminato e catturato il movimento dei fluidi all'interno della miscela. I ricercatori hanno seminato la miscela con particelle traccianti, che diffondeva luce da un raggio laser verde, per tracciare ulteriormente le dinamiche interne del finto latte, una tecnica chiamata velocimetria a immagine di particelle. Finalmente, sono state eseguite simulazioni numeriche per confrontare i dati raccolti con vari modelli del sistema in evoluzione di liquidi misti.

L'analisi complessiva ha mostrato che il meccanismo principale alla base della stratificazione è un fenomeno noto come convezione a doppia diffusione. Si verifica quando fluidi accatastati di diversa densità, spinti dalla gravità a mescolare il loro contenuto, scambiano calore attraverso il movimento dei loro materiali costitutivi. All'interno di una data miscela, più denso, lavandino più fresco dei liquidi, mentre più leggero, i liquidi più caldi salgono. Questo affondare e salire si ferma, però, quando la densità locale in una regione all'interno di un latte si avvicina a un equilibrio. Di conseguenza, il fluido deve scorrere orizzontalmente, piuttosto che in verticale, creando bande distinte, o strati.

Attraverso i loro esperimenti, i ricercatori hanno esaminato come conta anche la velocità di iniezione del fluido del latte caldo. Se versato troppo lentamente, il fluido più denso si mescolerà in modo troppo uniforme mentre scorre nel fluido meno denso. Una velocità di colata più rapida fa sì che il primo perfori il secondo e inneschi i movimenti rapidi che culminano nella stratificazione desiderata quando vengono stabiliti gli equilibri di densità.

È necessario ulteriore lavoro per caratterizzare l'effetto di stratificazione dimostrato nei latti per estenderne il controllo ad altri liquidi livellati e semisolidi. Ma i risultati preliminari di Xue e dei suoi colleghi hanno già mostrato come l'attività all'interno di una bevanda comune potrebbe portare a intuizioni non comuni.

"Questo risultato mostra la bellezza della meccanica dei fluidi ed è molto significativo, " disse Detlef Lohse, un professore di meccanica dei fluidi presso l'Università di Twente nei Paesi Bassi che non era coinvolto nello studio. "Penso che influirà su vari flussi industriali e procedure di miscelazione nella cosiddetta tecnologia di processo, in cui è onnipresente la miscelazione di fluidi con densità diverse per iniezione dell'uno nell'altro."

Lohse ha inoltre sottolineato come la ricerca di Princeton potrebbe aiutare a spiegare meglio i flussi d'acqua dipendenti dal calore e dalla salinità nei vasti oceani della Terra, un fenomeno che ha implicazioni chiave in climatologia ed ecologia. "La scoperta più impressionante potrebbe essere che c'è una perfetta analogia tra la stratificazione in un caffè latte, " disse Lohse, "e la nota ed estremamente rilevante stratificazione dell'acqua con diverse temperature e concentrazioni di sale nell'oceano".