Was haben Kaffee, Rotwein und Tinte gemein?

Forschende entwickeln Methode, die die gleichmäßige Trocknung partikel-haltigen Flüssigkeiten begünstigt

10.06.2022 - Deutschland

Wer schon mal eine Tasse Kaffee umgestoßen hat weiß, dass Kaffee in einem außergewöhnlichen Muster trocknet: Der Fleck ist in der Mitte heller, wird nach außen hin aber von einem dunkleren Rand umschlossen – einem sogenannten Kaffeering. Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Nicolas Vogel, der an der FAU im Department Chemie und Bioingenieurwesen forscht, untersuchte zusammen mit Kolleginnen und Kollegen aus Edinburgh eine Strategie, um den Kaffeering-Effekt zu überwinden und ein gleichmäßiges Trocknungsmuster zu erreichen. Die Ergebnisse haben sie im Journal Nature Communications veröffentlicht.

Trocknet ein Tropfen Kaffee verdampft die Flüssigkeit an den Rändern schneller als im Zentrum. Im Kaffee befinden sich durch den Brühprozess kleine, feste Partikel. Sie werden durch die unterschiedlichen Trocknungsgeschwindigkeiten an den Tropfenrand gezogen und scheiden sich dort im charakteristischen Ringmuster ab: der Kaffeering entsteht. Dieses Phänomen ist universal und entsteht generell beim Trocknen von Partikel-haltigen Flüssigkeiten, sogenannten Dispersionen wie beispielsweise Tinte, Farbe oder Rotwein. Nicht nur im Alltag, auch in technologischen Prozessen ist der Kaffeefleck unerwünscht. So führt er bei verschiedenen Beschichtungsverfahren und Druckprozessen zu unregelmäßigen Druckbildern, Defekten und Leistungseinbußen.

Der Trick, den die Forscher anwenden, um eine gleichmäßige Trocknung zu erreichen, besteht darin, die Oberflächen der Partikel mit Polymerketten so zu funktionalisieren, dass sie sich effizient voneinander Abstoßen und gleichzeitig stark an die Oberfläche des Tropfens gezogen werden. Die räumliche Abstoßung verhindert die Partikelanhäufung am Rand des Tropfens, während die Anlagerung der Partikel an die Tropfenoberfläche zu einem gleichmäßiger Partikelfilm führt. Zusammen hebeln die beiden Effekte die Entstehung des Kaffeerings aus.

Die Methode lässt aber nicht nur Kaffeetropfen gleichmäßig trocknen: Sie kann bei einer Vielzahl handelsüblicher Pigmentpartikeln und unterschiedlichen Flüssigkeiten angewendet werden. Weil die Methode einfach umsetzbar und vielseitig anwendbar ist, ebnet sie den Weg zu zuverlässigen Beschichtungsverfahren und tintenstrahlgedruckten elektronischen Geräten in einem breiten Spektrum fortschrittlicher Technologien – zum Beispiel Solarzellen, Transistoren oder Biosensoren.