Als een koffiedruppel opdroogt, is de rand donker, maar het midden volledig transparant. Dit fenomeen, schijnbaar alledaags en on-opmerkelijk, is eigenlijk allesbehalve dat. De verklaring is te vinden in de fysica.
Tekst en beeld: Robynn Corveleyn
Het is tien uur ’s avonds. Morgen moet je je oh-zo-belangrijke paper indienen en je bent nog maar halverwege. Er is nog even tijd dus de energiedranken laat je opzij staan; je kiest voor een zwarte koffie. Een briljante, nieuwe invalshoek schiet je te binnen en je handen vliegen enthousiast de richting van het toetsenbord uit. In je haast botst je rechterarm tegen je kopje warme drank en daar gebeurt het: je koffie is verspreid over je bureau. Je beslist toch snel je interessante idee neer te pennen voor het je gedachten ontglipt. Terwijl je hier nietsvermoedend mee bezig bent, gaat er een even interessant fysisch proces van start op de oppervlakte van de tafel: de koffie verdampt.
In feite is die laatste zin niet helemaal juist. Het is niet de koffie die verdampt, maar het water in de koffie. Een donkere ring met een transparant midden blijft achter. Dit is het koffievlekeffect. Als we tot op moleculair niveau inzoomen, krijgen we te zien dat er op tafel een druppel water ligt, met daarin grote zwevende koffiemoleculen. Het is dankzij het aanwezige water dat het koffievlekeffect plaatsvindt.
Bestudeer eens een druppel water. Je zult zien dat het druppeltje niet plat is, maar een bolvormig oppervlak heeft. Het druppeltje bestaat uit waterdeeltjes die door elkaar bewegen. Enerzijds oefenen ze een relatief zwakke aantrekkingskracht op elkaar uit, de Vanderwaalskrachten. Daarbij worden de waterstofatomen in de watermoleculen niet alleen sterk aangetrokken door het zuurstofatoom waarmee ze het waterdeeltje vormen, maar ook door de zuurstofatomen van andere deeltjes. Dit zijn waterstofbruggen, een soort binding.
Deze wisselwerkingen zorgen ervoor dat de watermoleculen elkaar heel sterk aantrekken. Dit draagt bij tot de sterke oppervlaktespanning van water. Dit is de neiging van vloeistoffen om zich aan de oppervlakte als een elastisch laagje te gedragen. Sommige insecten maken hiervan gebruik om op water te lopen, en jij kan dit gebruiken om bijvoorbeeld een paperclip op water te doen drijven.
Als een watermolecuul probeert te ontsnappen (lees: verdampen), trekken de onderliggende moleculen haar terug naar beneden. Aan de oppervlakte van het water is er alleen maar een kracht die naar beneden trekt, wat de bolvorm veroorzaakt. Op de tekening duiden de pijltjes de verschillende krachten aan.
Dit fenomeen wordt niet verhinderd door de grote zwevende koffiedeeltjes in een koffiedruppel. Aan de rand van de druppel is er door de bolvorm minder water om een deeltje terug te trekken, dus hier kan een deeltje makkelijker ontsnappen. Wanneer moleculen aan de rand wegvliegen, gaat het water uit het midden van de druppel naar de rand om de verloren deeltjes te vervangen. De koffiemoleculen laten zich meevoeren, en wanneer al het water verdampt is, blijven zij alleen over. Onze donkere rand is verschenen.
Dat je koffie zo opdroogt, vormt geen probleem, maar in sommige situaties willen we liever een uniforme verdeling van de achterblijvende deeltjes. De koffievlek illustreert een effect van een hoge oppervlaktespanning. De oplossing is om de oppervlaktespanning te verlagen. Zeep doet dit voor water, waardoor schuim kan ontstaan. Het wateroppervlak wordt elastischer, waardoor het zich makkelijker rond gasbellen kan rekken. Dan is de vlek wel uniform, maar de koffie niet meer lekker. Voorlopig blijf ik dus fan van het koffievlekeffect.
0 Comment