Die Modifizierung von Oberflächen mit Polymerketten fördert die gleichmäßige Trocknung von partikelhaltigen Flüssigkeiten

Was haben Kaffee, Rotwein und Tinte gemeinsam? Die hartnäckigen Flecken, die sie hinterlassen. Jeder, der schon einmal eine Tasse Kaffee umgestoßen hat, weiß, dass Kaffee in einem ungewöhnlichen Muster trocknet, der Fleck ist in der Mitte heller, wird aber am Rand dunkler, ein Effekt, der als Kaffeering bekannt ist. Prof. Dr. Nicolas Vogel und sein Forscherteam vom Department of Chemical and Biological Engineering der FAU und ihre Kollegen in Edinburgh untersuchen eine Strategie, um den Kaffeeringeffekt anzugehen und ein konsistentes Trocknungsmuster zu erzeugen. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

Wenn ein Kaffeetropfen trocknet, verdunstet die Flüssigkeit an den Rändern schneller als in der Mitte. Beim Brühen befinden sich im Kaffee kleine, feste Partikel. Sie werden durch unterschiedliche Trocknungsgeschwindigkeiten an den Rand des Tropfens gezogen und lösen sich dort auf und bilden das charakteristische Muster eines Kaffeerings. Dies ist ein universelles Phänomen, das auftritt, wenn partikelhaltige Flüssigkeiten, sogenannte Dispersionen, zum Beispiel Tinte, Farbe oder Rotwein, eintrocknen. Ringmuster sind bei technischen Prozessen genauso unerwünscht wie beim Verschütten unseres Kaffees. Sie führen bei verschiedenen Beschichtungsverfahren und Druckprozessen zu unregelmäßigen Druckbildern, Defekten und Leistungseinbußen.

Forscher haben entdeckt, dass der Trick zum Erzielen konsistenter Trocknungsmuster darin besteht, die Oberflächen der Partikel mit Polymerketten so zu modifizieren, dass sie sich gegenseitig effizient abstoßen und gleichzeitig stark von der Oberfläche des Tröpfchens angezogen werden. Die räumliche Abstoßung verhindert eine Partikelansammlung am Rand des Tropfens, während die Partikelanhaftung an der Tropfenoberfläche zu einem homogenen Partikelfilm führt. Wenn sie kombiniert werden, verhindern beide Effekte die Bildung eines Kaffeerings.

Wichtig ist, dass diese Methode nicht nur Kaffeetröpfchen gleichmäßig trocknen lässt, sondern auch mit einer Vielzahl handelsüblicher Pigmentpartikel und verschiedenen Flüssigkeiten verwendet werden kann. Da das Verfahren einfach zu implementieren und vielseitig einsetzbar ist, ebnet das neue Verfahren den Weg zu zuverlässigen Beschichtungsprozessen und tintenstrahlgedruckten elektronischen Geräten in einer Vielzahl fortschrittlicher Technologien, beispielsweise Solarzellen, Transistoren oder Biosensoren.