Natuurkundige verklaring van het koffiekring-effect

Gemorste koffie verdampt met een donkere kring rond de vlek. Er zijn vele vloeistoffen die na verdampen deze “vlekken” achterlaten. Het wordt veroorzaakt door de hygroscopische eigenschap van de vaste stof in de oplossing. De druppelrand koelt het snelst af en de droge koffie residu aan de rand werkt als spons en trekt de vloeistof met de deeltjes uit het midden aan. Alle stofdeeltjes zitten tenslotte in de rand en vormen de kring, als de vloeistof verdampt is.

Koffievlekken

Wanneer water uit een koffiedruppel verdampt, droogt de druppelrand als eerste. Omdat het verdamping oppervlak er tweemaal zo groot is als in de midden van de vlek. Daardoor stroomt vanuit het midden water naar de rand, die werkt als een spons, deze stroom neemt de koffiedeeltjes mee. Terwijl het water verdampt diffunderen de vaste deeltjes in de vaste rand. Dit noemt men het koffiekring-effect en het treedt niet alleen op bij koffie. Zodra de vloeistof verdampt is, zit praktisch alle vaste stof in de rand. Zelfde proces voltrekt zich in melk en andere vloeistoffen waarin deeltjes zweven. Meestal is het verschijnsel ongewenst en moeten vloeistoffen zonder kringen opdrogen, zoals in inktprinters of in verf, maar soms is het verschijnsel wel gewenst om kringen met een kristalstructuur te creëren.
Figuur boven: In het begin is aan de druppelrand is verdampingoppervlak circa tweemaal zo groot als midden in de vlek (de maat voor verdampingsoppervlak van een kubieke milimeter is de lengte van de grijze lijnen).

Figuur onder: Aan het einde van het droogproces is het verdampingoppervlak van de rand circa driemaal zo groot en het droogproces, dus de snelheid van de deeltjesstroom naar de rand, verloopt naar het einde toe steeds sneller.

Binnen de ring blijft een, paar moleculen dikke, transparante laag achter, omdat de laatste stofmoleculen door vloeistof gebrek niet meer mobiel zijn.

Vorm van de vaste stofdeeltjes.

In het blad "Nature" wordt vermeld dat de beweging van deeltjes in de vloeistof afhangt van de vorm van die deeltjes. Ronde deeltjes glijden gemakkelijk langs elkaar heen en bewegen relatief snel naar de rand; maar hoe platter de deeltjes, hoe groter de vloeiweerstand. Platte deeltjes zitten door hun vorm, elkaar als het ware in de weg en de vlek is in dat geval egaal zonder rand.

Oppervlaktespanning

Door oppervlaktespanning gedraagt het oppervlak van een vloeistof zich als een veerkrachtige laag en is de verklaring dat sommige insecten zoals de schaatsenrijder over water kunnen lopen. Door deze cohesiekracht tussen vloeistof moleculen
worden de molekulen zo dicht mogelijk naar elkaar toegetrokken en zo ontstaat de bolvorm. Het gewicht (zwaartekracht) doet de bol inzakken tot een schijfvorm met afgeronde rand zoals in nevenstaande foto is afgebeeld. Bij gewichtsloosheid in het ruimtestation heeft de druppel de bolvorm.

Hygroscopische stof

Het woord hygroscopisch komt uit het Oudgrieks: hygros (water) en skopein (zien). Stoffen die water uit de omgeving aantrekken noemen we hygroscopisch. Meeste voedingsmiddelen en zoetwaren zijn hygroscopisch. Keukenzout gaat in een vochtige omgeving door wateropname klonteren. Papier zuigt water op en gaat bollen. We kunnen producten vochtvrij bewaren in een verpakking met een hygroscopische stof die het vocht opneemt. De hygroscopische eigenschap is een gevolg van adhesie(aantrekking tussen twee verschillende stoffen) en capillaire werking dat in feite ook door dezelfde adhesie wordt veroorzaakt.

Adhesiekracht en moleculaire adsorptie

De watermoleculen bezetten de poriën in het hygroscopisch materiaal. Dit wordt moleculaire adsorptie genoemd. De oorzaak van het binnendringen van vocht zijn de adhesiekrachten tussen de watermoleculen en de moleculen van de vaste stof. Hierdoor worden de watermoleculen naar de poriewanden van de vaste rand getrokken. Dit z.g.n. "hygroscopische" vocht bevindt zich in poriën met een straal kleiner dan 50x10-3 μm.

Capillaire werking

Een andere eigenschap die een rol speelt is Capillaire werking, een verschijnsel, waarbij water in een fijn buisje hoger stijgt dan het omringende vloeistofniveau. Zulke buisjes worden capillairen (haarbuisjes) genoemd. Hoe fijner de buisjes, hoe hoger het water stijgt.

De kracht waarmee het water in de buisjes, als het ware, omhoog gezogen wordt noemt men capillaire kracht. Die kracht is kleiner naarmate de haarbuisjes fijner zijn. Hoewel de capillaire kracht kleiner is naarmate de diameter kleiner is, zal het water toch verder stijgen, omdat het gewicht van de omhoog getrokken waterkolom sneller afneemt bij diameter verkleining dan de afname van de capillaire kracht des te nauwer het kanaaltje des te sneller de stijging.

Belang van het onderwerp

Belangrijk is de capillaire werking in de aarde, capillaire kanaaltjes worden gevormd door de aaneenschakeling van kleine holten tussen de aarde deeltjes. Het grondwater stijgt via die kanaaltjes op en kan het grondoppervlak bereiken. Ideaal voor plantenwortels. In bomen bevinden zich fijne houtvaten, waarin het water tot grote hoogte kan opstijgen. Ook in ons lichaam bevinden zich deze haarvaten. Helaas ook in beton en in stenen muren waardoor het vocht tot wel 2 meter kan optrekken.

De praktijk

Uit onderzoek blijkt verder dat als de oplossing maar voor een klein deel uit zulke ovale deeltjes bestaat, het koffiekring-effect niet optreedt. Het betekent dat printerfabrikanten nu niet de aard van hun inkt compleet hoeven te veranderen, maar simpelweg een handvol ovale deeltjes kunnen toevoegen om ervoor te zorgen dat hun inkt zich egaal verspreidt. Nu worden in de verf- en inktindustrie chemicaliën gebruikt om verf en inkt egaal op te laten drogen, ovale in plaats van bolvormige kleurdeeltjes laten de lak zonder chemicaliën egaal opdrogen.

Hoe langer de koffievlek (geldt ook voor andere vlekken) aanwezig zijn, hoe lastiger het wordt om deze te verwijderen, omdat de meeste oppervlakken (microscopisch) poreus zijn trekt de vlek in het materiaal(tafelblad) oppervlak.