Trifft ein Kaffeetropfen nicht die Tasse, sondern den Tisch, bildet sich dort nach einigen Stunden ein kreisförmiger Fleck mit deutlich abgesetztem, dunklem Rand. Ähnliches passiert auch bei anderen mit Schwebeteilchen versetzten Lösungen, die auf einer festen Oberfläche eintrocknen. Über das genaue Aussehen entscheidet dabei unter anderem die Form der enthaltenen Partikel, berichtet nun ein Forscherteam der University of Pennsylvania im US-Bundesstaat Philadelphia.

Peter Yunker und seine Kollegen untersuchten in ihrem Labor Wassertröpfchen mit einer Suspension aus mikrometergroßen Kunststoffpartikeln verschiedener Formen, darunter Kugeln und Ellipsoide. Der Großteil der sphärischen Partikel sammelt sich am Rand des Tropfens, so dass nach dem Verdampfen des Wassers ein ausgeprägter Fleckenrand entsteht. Lang gestreckte Partikel verteilen sich dagegen gleichmäßig über den gesamten eingetrockneten Fleck, so das Ergebnis der Experimente.

Erklären ließe sich das unterschiedliche Verhalten durch die Wechselwirkung der Partikel mit der Oberflächenspannung an der Luft-Wasser-Grenzfläche, so die Wissenschaftler. Während das Wasser verdunstet und sich das Volumen des Tropfens dadurch allmählich reduziert, wird dessen Rand auf dem Untergrund – in diesem Fall eine Glasplatte – fixiert und die Flüssigkeit mitsamt der Partikel von der Mitte an die Ränder des Tropfens transportiert.

Die sphärischen Partikel treiben durch diese Kapillarströmung an den Rand des Tropfens, schildert das Team, wo sie sich eng zusammendrängen. Auch die winzigen Ellipsoide werden nach außen getrieben. Treten sie jedoch an die Grenzfläche zwischen Luft und Wasser, verformen sie diese auf Grund ihrer lang gestreckten Form – anders als die Kugeln. Dadurch entstehen Anziehungskräfte zwischen den Partikeln, die solche zwischen kugelförmigen Teilchen um mehr als zwei Größenordnungen übersteigen, erläutern die Wissenschaftler um Yunker. Als Folge bilden sich locker aneinander gebundene Ellipsoidverbände an der Wasser-Luft-Grenzschicht. Diese Anordnung bewahrt die Partikel davor, an den Rand gespült zu werden, und so lagern sich die Teilchen gleichmäßig auf der Glasfläche ab, nachdem das gesamte Wasser verdunstet ist.

In einer Suspension aus sphärischen Partikeln ließe sich der charakteristische Fleckenrand bereits durch eine kleine Menge von ellipsoidförmigen Teilchen verhindern, fand das Team heraus. Der so genannte Kaffee-Ring-Effekt sorgt nicht nur auf der Kaffeetafel für Probleme, sondern auch in zahlreichen technischen Anwendungen, bei denen ein gleichmäßiges Ablagern von Partikeln erforderlich ist. Die Arbeit kann daher auch für Tintenstrahldrucker, Farben oder Beschichtungen von Nutzen sein. (mp)