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2026-01-05T14:30:13Z

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[[Datei:Coffee Stains Texture 08 (3731108469).jpg|mini|hochkant=1.5|Typische Kaffeeringe auf glatter Oberfläche]]
[[Datei:Coffee ring. makro.JPG|mini|Makroaufnahme eines Kaffeerings]]
Als '''Kaffeering''' bezeichnet man den ringförmigen Fleck, den ein Tropfen [[Kaffee]]getränk nach dem [[Trocknung|Trocknen]] auf glatter Oberfläche hinterlässt. Der Kaffeering ist vom ''Kaffeerand'' zu unterscheiden, der durch die Form des Bodens einer [[Tasse]] oder eines anderen Gefäßes entsteht, wenn verschütteter Kaffee darunter fließt. Generell tritt der Kaffeering-Effekt auf, wenn aus [[Tropfen]] von [[Lösung (Chemie)|Lösungen]] oder [[Kolloid|kolloidalen]] [[Suspension (Chemie)|Suspensionen]] auf festen Oberflächen das [[Lösungsmittel]] [[Verdunstung|verdunstet]].<ref name=":0">{{Literatur |Autor=Robert D. Deegan, Olgica Bakajin, Todd F. Dupont, Greb Huber, Sidney R. Nagel, Thomas A. Witten |Titel=Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops |Sammelwerk=Nature |Band=389 |Nummer=6653 |Datum=1997 |Seiten=827–829 |DOI=10.1038/39827}}</ref><ref name=":1">{{Literatur |Autor=Dileep Mampallil, Huseyin Burak Eral |Titel=A review on suppression and utilization of the coffee-ring effect |Sammelwerk=Advances in Colloid and Interface Science |Band=252 |Datum=2018-02 |Seiten=38–54 |DOI=10.1016/j.cis.2017.12.008}}</ref>

Der Kaffeering-Effekt tritt allgemein bei der Verdunstung von Flüssigkeiten auf, die nichtflüchtige Komponenten wie etwa [[Pigmente]] bzw. [[Farbstoff]] enthalten, beispielsweise [[Rotwein]], [[Lack]] oder [[Tinte]]. Die nichtflüchtigen Komponenten des Tropfens bilden nach erfolgter Verdunstung des Lösungsmittels eine näherungsweise ringförmige Ablagerung, die die ursprüngliche Kontur des Tropfens nachzeichnet.

== Entstehungsmechanismus ==
Kaffeeringe entstehen, wenn der Rand eines liegenden oder hängenden Tropfens während der [[Verdunsten|Verdunstung]] immobilisiert bleibt (engl. ''constant contact radius''),<ref>{{Literatur |Autor=R.G Picknett, R Bexon |Titel=The evaporation of sessile or pendant drops in still air |Sammelwerk=Journal of Colloid and Interface Science |Band=61 |Nummer=2 |Datum=1977-09 |Seiten=336–350 |DOI=10.1016/0021-9797(77)90396-4}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Duyang Zang, Sujata Tarafdar, Yuri Yu. Tarasevich, Moutushi Dutta Choudhury, Tapati Dutta |Titel=Evaporation of a Droplet: From physics to applications |Sammelwerk=Physics Reports |Band=804 |Datum=2019-04 |Seiten=1–56 |DOI=10.1016/j.physrep.2019.01.008}}</ref> die Flüssigkeit sich also nicht weiter ausbreitet (und/oder in den Untergrund einzieht, wie es bei porösen Materialien möglich wäre).
Da die Verdunstung an den Tropfenrändern am schnellsten erfolgt, die Tropfenränder aber fixiert sind, strömt Flüssigkeit vom Zentrum des Tropfens zu den Rändern nach. Somit bewegen sich auch die im Tropfen enthaltenen nichtflüchtigen Bestandteile von dessen Zentrum zum Rand, wo diese sich abscheiden.<ref name=":0" /><ref name=":1" />

Da der Tropfen eine gewölbte (konvexe) Oberfläche besitzt, handelt es sich bei den Strömungsvorgängen innerhalb des Tropfens um eine [[Kapillarität|kapillare Bewegung]].<ref>{{Literatur |Autor=Robert D. Deegan, Olgica Bakajin, Todd F. Dupont, Greg Huber, Sidney R. Nagel, Thomas A. Witten |Titel=Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops |Sammelwerk=[[Nature (Journal)|Nature]] |Band=389 |Nummer=6653 |Datum=1997 |Seiten=827–829 |DOI=10.1038/39827 |bibcode=1997Natur.389..827D}}</ref>

Unter Umständen können fast alle in der Flüssigkeit [[Dispersion (Chemie)|dispergierten]] Partikel an den Rand transportiert werden. Kurz vor der vollständigen Trocknung beschleunigt sich die Bewegegung der Teilchen.<ref name="r1">{{Literatur |Autor=Yuto Ooi, Itsuo Hanasaki, Daiki Mizumura, Yu Matsuda |Titel=Suppressing the coffee-ring effect of colloidal droplets by dispersed cellulose nanofibers |Sammelwerk=Science and Technology of Advanced Materials |Band=18 |Nummer=1 |Datum=2017 |Seiten=316–324 |DOI=10.1080/14686996.2017.1314776 |PMC=5439399 |PMID=28567177 |bibcode=2017STAdM..18..316O}}</ref>

Der bei Verdunstung einer Flüssigkeit auftretende [[Marangoni-Effekt]] kann die Partikel vom Rand wieder in die Mitte des Tropfens zurückführen. Der Kaffeeringeffekt tritt also nur in Flüssigkeiten auf, in denen der Marangonieeffekt schwach ausgeprägt ist ober behindert wird.<ref>{{Literatur |Autor=H. Hu, R. G. Larson |Titel=Marangoni Effect Reverses Coffee-Ring Depositions |Sammelwerk=[[Journal of Physical Chemistry B]] |Band=110 |Nummer=14 |Datum=2006 |Seiten=7090–7094 |DOI=10.1021/jp0609232 |PMID=16599468}}</ref> Eine Reduzierung kann etwa durch Zugabe eines [[Netzmittel]]s erreicht werden. In Wasser tritt der Marangoni-Effekt nur in geringem Umfang auf und wird durch natürliche [[Tensid]]e noch verringert.<ref name="SavinoPaterna2002">{{Literatur |Autor=R. Savino, D. Paterna, N. Favaloro |Titel=Buoyancy and Marangoni Effects in an Evaporating Drop |Sammelwerk=Journal of Thermophysics and Heat Transfer |Band=16 |Nummer=4 |Datum=2002 |ISSN=0887-8722 |Seiten=562–574 |DOI=10.2514/2.6716}}</ref>


[[Datei:Coffee ring suppression by cellulose.jpg|mini|hochkant=1.5|Flecken nach Verdunstung einer [[Kolloid|kolloidalen Mischung]] mit [[Polystyrol]]partikeln im Durchmesser von 1,4 μm und [[Zellulosefaser]]n mit einem Durchmesser von ~20 nm und einer Länge von ~1 μm. Der Polystyrolgehalt beträgt durchweg 0,1 Gewichts-%. Der Zellulosegehalt beträgt links 0, in der Mitte 0,01 und rechts 0,1 Gew.-%.<ref name="r1" /> Bereits eine geringe Zugabemenge der feinen Fasern behindert die Bewegung der Kunststoffpartikel.]]

== Vermeidung der Kaffeering-Bildung ==
Die Vermeidung der Kaffeering-Bildung hat erhebliche technische Relevanz, etwa für den [[Tintenstrahldrucker|Tintenstrahldruck]] in der Herstellung [[Gedruckte Elektronik|gedruckter Elektronik]].<ref>{{Literatur |Autor=Laxmidhar Nayak, Smita Mohanty, Sanjay Kumar Nayak, Ananthakumar Ramadoss |Titel=A review on inkjet printing of nanoparticle inks for flexible electronics |Sammelwerk=Journal of Materials Chemistry C |Band=7 |Nummer=29 |Datum=2019 |Seiten=8771–8795 |DOI=10.1039/C9TC01630A}}</ref>

Nach Forschungsergebnissen von Physikern der [[University of Pennsylvania]] kann der Kaffeering-Effekt durch die Veränderung der Form der [[Suspension (Chemie)|suspendierten]] Teilchen vermindert werden.<ref>{{Internetquelle |url=http://diepresse.com/home/science/686276/Das-Mysterium-des-KaffeeringEffekts-ist-entschleiert |titel=Das Mysterium des „Kaffeering-Effekts“ ist entschleiert |hrsg=diepresse.com (17.08.2011) |abruf=2012-02-22}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=http://www.astropage.eu/index_news.php?id=399 |titel=astropage.eu |abruf=2012-02-22}}</ref> Überschreitet die Länge der suspendierten Teilchen das Dreifache der Breite, tritt der Kaffeering-Effekt nicht mehr auf.<ref>{{Literatur |Autor=Peter J. Yunker, Tim Still, Matthew A. Lohr, A. G. Yodh |Titel=Suppression of the coffee-ring effect by shape-dependent capillary interactions |Sammelwerk=Nature |Band=476 |Nummer=7360 |Datum=2011-08 |Seiten=308–311 |DOI=10.1038/nature10344}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Wouter Sempels, Raf De Dier, Hideaki Mizuno, Johan Hofkens, Jan Vermant |Titel=Auto-production of biosurfactants reverses the coffee ring effect in a bacterial system |Sammelwerk=Nature Communications |Band=4 |Nummer=1 |Datum=2013-04-23 |Seiten=1757 |DOI=10.1038/ncomms2746 |PMID=23612298}}</ref>

== Weblinks ==
* [https://www.youtube.com/watch?v=ZaCGoSTMHyc&t=100s Bildung von Kaffeeringen]; Video der [[University of Pennsylvania]]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Dispersion (Chemie)]]
[[Kategorie:Kaffee]]
[[Kategorie:Oberflächenphysik]]
[[Kategorie:Physikalisches Demonstrationsexperiment]]
[[Kategorie:Strömungsmechanik]]

Kaffeering - Versionsgeschichte

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