תיאוריה חדשה מסבירה את היווצרותו של כתם קפה

חוקרים הצליחו לנסח מודל שבאמצעותו ניתן להראות כיצד טיפה קולואידית מתנדפת ובנוסף הם מצאו מנגנון שממנו התעלמו בעבר המתאר באופן מדויק יותר את הדינמיקה של שקיעת חלקיק בטיפות מתנדפות, מנגנון שעשוי להיות משמעותי בתחומי טכנולוגיה רבים

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]

ההיווצרות של כתם קפה פשוט מהווה נושא למחקר מורכב מזה עשורים בשנים, למרות שיש עדיין שאלות פתוחות בתחום זה. חוקרים הצליחו לנסח מודל שבאמצעותו ניתן להראות כיצד טיפה קולואידית מתנדפת ובנוסף הם מצאו מנגנון שממנו התעלמו בעבר המתאר באופן מדויק יותר את הדינמיקה של שקיעת חלקיק בטיפות מתנדפות, מנגנון שעשוי להיות משמעותי בתחומי טכנולוגיה רבים.

“ההבנה והבקרה של דינמיקת השקיעה של חלקיקים במהלך ההתנדפות של טיפות קולואידיות יכולות לשמש בהרצפת דנ”א, פיתוח חומרי צבע חדשניים, הדפסה באמצעות דיו וייצור של ננו- ומיקרו-מבנים מסודרים”, אמר Hassan Masoud, פרופסור במחלקה להנדסה מכאנית באוניברסיטת רינו בנבאדה. “ועכשיו אנו מבינים את התופעה הזו הרבה יותר טוב מבעבר. התגלית שלנו מבוססת על תוכן מחקרי נרחב, אולם אנחנו קידמנו את התחום צעד אחד קדימה והצלחנו לפתח מודל של יחסי הגומלין שבין חלקיקים מורחפים לבין שטח הפנים החופשי של טיפה. אנו סבורים כי הממצאים שלנו עשויים לשנות משמעותית את התפיסה הרווחת באשר למנגנון האחראי למה שמכונה תופעת ‘כתם הקפה’.

כאשר טיפה מתייבשת על גבי משטח, החלקיקים הנמצאים באותה טיפה שוקעים בדרך כלל בתבנית דמוית מעגל תוך השארת כתם או שרידים, תופעה המכונה בשם ‘תוצא טבעת הקפה’ (coffee-  ring effect, ויקיפדיה). עד היום, החוקרים סברו כי הכתם נוצר כתוצאה מזרימת הנוזל בתוך הטיפה. החוקרים מצאו כי שטח הפנים החופשי של הטיפה, כלומר – אותה שכבה חיצונית הנמצאת במגע עם האוויר, נוטלת תפקיד מכריע בשקיעה של החלקיקים. “כאשר הטיפה מתנדפת, שטח הפנים החופשי קורס ולוכד בתוכו את החלקיקים המוצקים”, אמר החוקר הראשי. “התיאוריה שלנו מראה כי בסופו של דבר כל החלקיקים לכודים בתוך שטח הפנים החופשי ונותרים שם לשארית המסע שלהם לכיוון שפת הטיפה”.

החוקרים השתמשו במערכת מידול פחות מוכרת באמצעותה ניתן לצמצם את המשוואות התלת-ממדיות המבטאות את המנגנון למשוואה חד-ממדית. “הגישה החדשנית שלנו המתבססת על מודל זה מבדילה את המחקר שלנו ממחקרים קודמים”, מסביר החוקר. “אף אחד לא השתמש במודל זה לפתרון בעיה זו, והמודל מאפשר לנו לעקוב אחר התנועה של חלקיקים הנמצאים בטיפה באופן טבעי”. התגלית תוכל לאפשר למדענים לשלוט על התנועה של חלקיקים בנוזל באמצעות שינוי מתח הפנים של הממשק נוזל-גז, ולא על ידי שליטה בזרימת החומר שבתוך הטיפה. “אנו יכולים להשתמש בחומרים פעילי שטח על מנת לשנות את מתח הפנים של הטיפה”, מסביר החוקר הראשי. “בדוגמה פשוטה, אם מנקים לוחות סולאריים, העלולים לאבד מהיעילות שלהם בגלל הלכלוך המצטבר על גביהם, השיטה המועדפת היא ניקוי במים, אולם עדיין נשארים כתמי משקעים שקשה להרחיקם. “שימוש בחומרי ניקוי מיוחדים הלוקחים בחשבון את המנגנון שמצאנו יוכל להותיר את הלוחות נקיים יותר, ולפיכך – יעילים יותר בפעילותם”.

תקציר המאמר

הידיעה על המחקר