Η φυσική και ο λεκές του καφέ!

Καλλιτεχνική απεικόνιση μιας σταγόνας καφέ από τους ερευνητές του Πανεπιστημίου της Πενσιλβάνια. Τα σφαιρικά αιωρούμενα σωμάτια κατευθύνονται προς τις άκρες, σχηματίζοντας με την εξάτιμιση το χαρακτηριστικό «δαχτυλίδι». Αντίθετα τα ελλειψοειδή «κολλάνε» στην επιφάνεια δημιουργώντας έναν ομοιόμορφο λεκέ

Το εξώφυλλο του περιοδικού Nature  αφιερωμένο στον λεκέ του καφέ!

Ενας λεκές από καφέ στον πάγκο της κουζίνας είναι μάλλον αδιάφορος. Ενα απλό πέρασμα με ένα βρεγμένο πανί αρκεί για να τον αφαιρέσεις. Και αν σε προκαλεί να τον κοιτάξεις είναι συνήθως για να δεις μήπως σου ξέφυγε κανένα σημείο και όχι για να παρατηρήσεις το τόσο χαρακτηριστικό σημάδι του – μια ανοιχτόχρωμη καφετιά κηλίδα πλαισιωμένη από ένα πιο σκούρο «δαχτυλίδι».

Και όμως αυτός ο λεκές με την ιδιαίτερη εμφάνιση αποτελεί μια από τις μεγάλες σπαζοκεφαλιές για την επιστήμη και όχι μόνο. Το «φαινόμενο του δακτυλίου του καφέ», όπως ονομάζεται, δεν παρατηρείται μόνο στο δημοφιλές ρόφημα αλλά και στο «αποτύπωμα» που αφήνει πίσω της όταν στεγνώνει μια σταγόνα οποιουδήποτε υγρού περιέχει αιωρούμενα σωμάτια – από το νερό ως το αίμα μας. Το ζήτημα δεν είναι «εικαστικό». Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους η φρεσκοβαμμένη πόρτα σας μπορεί να εμφανίσει «μπαλώματα» ή η εφημερίδα που κρατάτε στα χέρια σας να βγει κακοτυπωμένη.

Μόλις την περασμένη δεκαετία οι φυσικοί άρχισαν να κατανοούν τον μηχανισμό της δημιουργίας του ενώ οι βιομηχανίες χρωμάτων, μελάνης και τροφίμων έχουν αφιερώσει στο πέρασμα των χρόνων αρκετό κόπο στην εφεύρεση μεθόδων για την εξουδετέρωσή του. Τώρα ο Πίτερ Γιούνκερ και ο Αρτζουν Γιοντ, ερευνητές του Πανεπιστημίου της Πενσιλβάνια, ανακάλυψαν μια άγνωστη παράμετρο στον σχηματισμό του επίμονου «δαχτυλιδιού». Οπως περιγράφουν στη μελέτη τους που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Nature», μπορεί κάποιος να το εξαφανίσει εύκολα και αποτελεσματικά αν το «τορπιλίσει» με μερικά μακρόστενα σωματίδια.

Η φυγόκεντρη τάση

Οταν μια σταγόνα καφέ ή οποιουδήποτε άλλου υγρού πέσει σε μια επιφάνεια ακολουθεί καθώς εξατμίζεται μια πολύ συγκεκριμένη διαδικασία. Εξαιτίας της τραχύτητας της επιφάνειας η περίμετρός της «κολλάει» σταθερά επάνω σε αυτήν με αποτέλεσμα να μην μπορεί να συρρικνωθεί ενώ στο εσωτερικό της αναπτύσσονται διάφορες δυνάμεις.
«Αυτό που συμβαίνει βασικά είναι ότι υπάρχει μεγαλύτερη εξάτμιση στις άκρες από ό,τι στο κέντρο της σταγόνας» εξηγεί μιλώντας στο «Βήμα» ο Αρτζουν Γιοντ, διευθυντής του εργαστηρίου ερευνών για τη δομή της ύλης του τμήματος Αστροφυσικής του Πανεπιστημίου της Πενσιλβάνια και επικεφαλής της μελέτης. «Η κυκλοφορία διά της βαρύτητας που αναπτύσσεται στο εσωτερικό της μεταφέρει ουσιαστικά το υγρό από το κέντρο προς τα άκρα. Τα σωματίδια εναποτίθενται εκεί και σχηματίζουν τον δακτύλιο».
Αυτή η γενική ιδέα του μηχανισμού που προκαλεί το δαχτυλίδι του καφέ αποκτήθηκε από την επιστήμη πριν από λιγότερο από δέκα χρόνια. Και πρόκειται μόνο για γενική ιδέα, γιατί οι ειδικοί εξακολουθούν να αγνοούν πολλές πτυχές του φαινομένου. Μια τέτοια άγνωστη πτυχή ανακάλυψαν οι ερευνητές του Πανεπιστημίου της Πενσιλβάνια ακολουθώντας μια προσέγγιση διαφορετική από τις συνηθισμένες.

Το μυστικό κρύβεται στα σωμάτια

Εξαιτίας της διαδικασίας που περιγράψαμε οι προσπάθειες εξουδετέρωσης του δαχτυλιδιού του καφέ επικεντρώνονταν ως τώρα κυρίως στην επιφάνεια που θα «δεχθεί» τη σταγόνα του υγρού. Η βασική λογική τους ήταν ότι, αν μπορούσε κανείς να αλλάξει τις ιδιότητες της επιφάνειας, τότε η περιφέρεια της σταγόνας δεν θα «κολλούσε» σε αυτήν οδηγώντας σε μια πιο ομαλή διαδικασία εξάτμισης που θα άφηνε μια πιο ομοιόμορφη «στεγνή» κηλίδα.
Ο Πίτερ Γιούνκερ και ο Αρτζουν Γιοντ όμως ακολουθούν εντελώς διαφορετική οδό: παρεμβαίνουν στο ίδιο το υγρό, και μάλιστα με θεαματικά αποτελέσματα. Η ανακάλυψη, όπως εξηγεί μιλώντας στο «Βήμα» ο Πίτερ Γιούνκερ, έγινε εντελώς τυχαία. Οι επιστήμονες ήθελαν να μελετήσουν στο εργαστήριό τους την κατασκευή γυαλιών που αποτελούνται από σωμάτια διαφορετικών σχημάτων – συγκεκριμένα από σωμάτια με σφαιρικό και με ελλειψοειδές σχήμα. Ένα ερώτημα που έπρεπε να λύσουν για να προχωρήσουν στις έρευνές τους ήταν σε πόση πυκνότητα μπορούσαν να «στριμωχθούν» τα διαφορετικά σωματίδια μέσα σε ένα γυάλινο δοχείο.
«Σκεφτήκαμε ότι ένας εύκολος τρόπος για να το δούμε ήταν να εξατμίσουμε το νερό του δοχείου ώστε να αναγκάσουμε τα σωμάτια να στριμωχτούν όσο το δυνατόν περισσότερο στο νερό που θα απέμενε» λέει ο κ. Γιούνκερ. Προς έκπληξή τους οι ερευνητές είδαν ότι τα ελλειψοειδή σωμάτια συμπεριφέρονταν με διαφορετικό τρόπο από τα σφαιρικά κατά την εξάτμιση και ότι το φαινόμενο του δακτυλίου του καφέ δεν παρουσιαζόταν σε αυτά.

Σφαιρικά και ελλειψοειδή

«Ενα από τα πρώτα πράγματα που αναρωτηθήκαμε βλέποντας ότι το φαινόμενο του δακτυλίου δεν σημειωνόταν στα ελλειψοειδή σωμάτια» αφηγείται ο ερευνητής «ήταν μήπως αυτό ισχύει και στον καφέ. Μήπως ισχύει και εκεί από όπου το φαινόμενο πήρε το όνομά του.». Το πεδίο του καφέ ήταν εκτός των ερευνητικών δραστηριοτήτων τους και έτσι οι φυσικοί δεν ήταν καν βέβαιοι αν στο ρόφημα αιωρούνται μόνο σφαιρικά ή και άλλων σχημάτων σωματίδια. Πήγαν λοιπόν στην καφετιέρα, γέμισαν ένα κύπελλο με καφέ και το έφεραν πίσω για να το εξετάσουν στο μικροσκόπιο. Από εκεί και πέρα οι μελέτες τους πήραν άλλη τροπή.
Οπως διαπίστωσαν, τα αιωρήματα του καφέ έχουν μόνο σφαιρικό σχήμα (κάτι το οποίο ήταν γνωστό στους ερευνητές που έχουν ασχοληθεί με το φαινόμενο). Στα επόμενα πειράματα παρατήρησαν τη συμπεριφορά των σφαιρικών σωματιδίων σε σχέση με τα ελλειψοειδή. Οταν η εξάτμιση αρχίζει και στο εσωτερικό της σταγόνας αναπτύσσεται η κυκλοφορία διά της βαρύτητας, τα σφαιρικά σωμάτια ακολουθούν τη ροή του υγρού και μεταφέρονται από το κέντρο προς τις άκρες όπου και επικάθονται για να σχηματίσουν το χαρακτηριστικό δαχτυλίδι.
Αντίθετα τα σωματίδια με επίμηκες σχήμα ακολουθούν διαφορετικό δρόμο. «Τα ελλειψοειδή αλληλεπιδρούν πολύ ισχυρά με την επιφάνεια της σταγόνας, με τη διεπιφάνεια αέρα-νερού» εξηγεί ο κ. Γιοντ. «Στην ουσία έλκονται προς την επιφάνεια και μόλις φθάσουν σε αυτή, “κολλάνε” εκεί. Επιπλέον, όταν ένα άλλο σωμάτιο φθάσει στην επιφάνεια, κολλάνε και μεταξύ τους. Ετσι δημιουργείται μια ομοιόμορφη στρώση στην επιφάνεια».

Η συνταγή για ομοιόμορφους λεκέδες

Σημαίνει αυτό ότι ρίχνοντας μερικά ελλειψοειδή σωματίδια στον καφέ μπορούμε να πάρουμε έναν απόλυτα ομοιογενή λεκέ; Η διερεύνηση αυτού του ερωτήματος ήταν το επόμενο βήμα. Οι επιστήμονες δοκίμασαν διάφορα μείγματα σφαιρικών και ελλειψοειδών σωματιδίων από πολυστιρένιο μέσα σε πολυβινυλικήΓιοντ) και είδαν ότι, στις περισσότερες περιπτώσεις, η πρόσθεση των μακρόστενων σωματιδίων έκανε τους λεκέδες απολύτως ομοιογενείς.
«Αλλάζοντας τις διαστάσεις των ελλειψοειδών σε σχέση με τις σφαίρες είχαμε και πάλι ομοιόμορφο αποτέλεσμα» λέει ο ερευνητής. «Μόνον όταν οι σφαίρες ήταν τόσο μικρές ώστε να μπορούν να κινούνται ανάμεσα στο δίκτυο των ελλειψοειδών είδαμε το φαινόμενο του δακτυλίου του καφέ να επανεμφανίζεται».
Η ανακάλυψη, όπως πιστεύουν οι ειδικοί, μπορεί να έχει ευρύτατες εφαρμογές εξαλείφοντας ένα φαινόμενο ενοχλητικό για πολλούς τομείς. «Μπορεί να χρησιμοποιηθεί οπουδήποτε θέλει κάποιος να εφαρμόσει μια ομοιόμορφη επικάλυψη – στις βαφές, στα μελάνια, στην επεξεργασία τροφίμων» εξηγεί ο κ. Γιοντ. Ενα άλλο πεδίο, όπως προσθέτει, είναι οι βιολογικές διαδικασίες. «Αυτή είναι μια εφαρμογή για την οποία ενδιαφερόμαστε ιδιαίτερα» τονίζει. «Προφανώς εμείς δεν ξέρουμε και πολλά από βιολογία, πρόκειται για μια ιατρική εφαρμογή, μια συνεργασία όμως θα ήταν πολύ ενδιαφέρουσα».

Behaviour of spheres, ellipsoids, and mixtures of spheres and ellipsoids in drying liquid drops.

Πηγή : Βήμα Science Nature