Neues von Kaffeeringen

Im Jahr 1997 fanden Deegan und Mitarbeiter die Erkl rung f r die so h ufig beobachtete Entstehung von „Kaffeeringen“ aus kolloidalen Teilchen, die nach dem Abtrocknen millimetergroser Wassertrcpfchen auf Oberfl chen zur ckbleiben. Dabei entsteht ein Ring und nicht ein gleichm siger Fleck, weil die Kante oder Kontaktlinie des Trcpfchens „h ngenbleibt“ oder festgehalten wird, sodass Wasser von der Mitte zur Kante strcmen muss, um die Kontaktlinie bei fortschreitender Verdunstung fixiert zu halten. Diese verdunstungsgetriebene Strcmung tr gt suspendierte Teilchen oder gelcste Stoffe zur Kontaktlinie, an der sie dann beim Verdunsten des Lcsungsmittels abgeschieden werden. Es ist erstaunlich, dass die „Kaffeering“-F rbungen, die wir doch t glich auf trocknendem Geschirr sehen, erst so sp t erkl rt wurden – daf r kommt es nun zu einer regelrechten Explosion an Forschungsarbeiten zu dem Thema. Die Vercffentlichung von Deegan et al. wurde bereits ber 1200-mal zitiert und bildet den Ausgangspunkt zahlreicher faszinierender Entdeckungen. Unter den berraschendsten davon ist die k rzlich vercffentlichte Arbeit von Yunker et al. , in der gezeigt wird, dass beim Ersetzen der sph rischen Kolloide durch leicht gestreckte (mit einem L nge-zu-Breite-Verh ltnis von 1.2 oder hcher) die Kaffeeringe verschwinden und durch gleichm sigere Abscheidungen ersetzt werden. Der bergang von der Kantenabscheidung zu einer gleichm sigen wird anscheinend durch Stauung der Monoschicht von gestreckten Teilchen an der Oberfl che der Trcpfchen verursacht und wird von Aspektverh ltnis und Konzentration der Teilchen beeinflusst. In Gemischen von K gelchen und gestreckten K gelchen (die „Sph roide“ genannt werden) h ngt die Stauung auch vomGrcsenverh ltnis der Kugeln und der Sph roide ab. Die Stauung an der Trcpfchenoberfl che cffnet eine neue Mcglichkeit zum Kontrollieren der Abscheidungsmuster ber die Variation von Form und Formverteilung der gelcsten Stoffe (Yunker et al. nennen ihre Sph roide „Ellipsoide“, eine etwas ungenaue Begriffsverwendung, da „Ellipsoid“ gewchnlich Teilchen mit drei unterschiedlich langen Achsen bezeichnet, w hrend „Sph roide“ axialsymmetrische Teilchen mit zwei gleich langen Achsen und einer dritten, l ngeren Achse sind; bei den Teilchen von Yunker et al. war die Form gestreckt). Es w re interessant, auch die oberfl chenblockierenden berg nge von flachen, abgeplatteten Sph roidteilchen und von Ellipsoidteilchen mit drei unterschiedlich langen Achsen zu untersuchen. Der bergang wird vermutlich auch durch nderungen der Teilchenoberfl che, Van-der-Waals-Wechselwirkungen, Oberfl chenrauigkeit, Teilchen-Fl ssigkeitKontaktwinkel und anderen Variablen beeinflusst, sodass weiter Raum f r zuk nftige Studien und Anwendungen besteht. „Kaffeeringe“ und verwandte F rbungen sind nicht nur Kuriosit ten, sie betreffen vielmehr verschiedenste Erscheinungen an der wissenschaftlichen Entwicklungsfront, einschlieslich Superhydrophobie, Bewegung von Kontaktlinien, gerichtete Aggregation, thermische und konzentrationsbedingte Marangoni-Strcmung, Strcmungsinstabilit ten und Entstehung einer Oberfl chenhaut, die sich zu gewarzten Trcpfchenformen buckeln kann. Praktische Anwendungen der Abscheidung aus einem trocknenden Trcpfchen umfassen Tintenstrahldrucken, Entstehung von DNAund RNAMikrofeldern, Mustern von Substraten, Aggregation von Nanomaterialien und so weiter. Die Nutzung der Teilchenform zum Regulieren von Abscheidungsmustern ist die letzte in einer Reihe von Methoden, die zum Kontrollieren von Abscheidungsmustern gefunden wurden. AndereMethoden umfassen die Verwendung von 1) thermischen Marangoni-Strcmungen, 2) konzentrationsbedingten Marangoni-Strcmungen, 3) Kontrolle der Kontaktlinienbewegung, 4) gemusterten Substraten, 5) Kristallisation von gelcsten Stoffen und 6) Buckelbildung an Grenzfl chen. Marangoni-Strcmungen entstehen durch Gradienten der Oberfl chenspannung entlang der Trcpfchenoberfl che mit der Folge einer Scherspannung, die Fl ssigkeit entlang der Grenzfl che zieht und zirkulierende Strcmungen verursacht. Solche Gradienten der Oberfl chenspannung kcnnen durch Temperaturgradienten entlang der Trcpfchenoberfl che entstehen. Die Temperaturunterschiede ihrerseits entstehen durch Verdunstung, die aufgrund ungleichm siger Verdunstungsund W rme bertragungsgeschwindigkeiten aus dem Trcpfchen an die Oberfl che ungleichm sig ist. Beide Ursachen von Ungleichm sigkeit werden von der Trcpfchenform beeinflusst, insbesondere vom Verh ltnis von Trcpfchenhche zum Radius. Flache Trcpfchen verdunsten an der Kante schneller als in der Mitte. Auch die Geschwindigkeit der W rmeleitung durch das Trcpfchen und das darunterliegende Substrat wirkt sich stark auf den Gradienten der Oberfl chentemperatur aus. Abh ngig vom Gleichgewicht [*] Prof. R. G. Larson Depts. of Chemical Engineering, Mechanical Engineering, Biomedical Engineering, and Macromolecular Science and Engineering Program, University of Michigan, Ann Arbor, MI 48103 (USA) E-Mail: rlarson@umich.edu . Angewandte Highlights