Het praktische nut van koffiekringen

Een koffiedruppel die opdroogt, laat een donkere kring achter. Dit koffievlekverschijnsel wordt nu gebruikt voor een eenvoudige malariatest en om fotonische kristallen te laten groeien. Hightech met huiselijke ergernis.

tekst drs. Timo Können

Neem een druppel bloed van een patiënt, voeg er wat chemicaliën aan toe en laat de druppel verdampen op een glasplaatje. Dat is het nieuwe recept voor het opsporen van malaria van dr. Josh Trantum en collega’s van de Vanderbilt University in het Amerikaanse Nashville. Het verdampen geeft, net als bij het opdrogen van gemorste koffie of thee, een kring. Bij de malariatest geeft de kleur daarvan uitsluitsel: geel-oranje is geen infectie, een rode kring met een groene stip in het midden betekent foute boel. Het opdrogen duurt niet langer dan een minuut of tien en er is geen koeling, elektriciteit of geschoold personeel bij nodig, wat een groot voordeel is in arme gebieden zonder medische laboratoria.

De basis van deze sensor is een vorm van zelforganisatie binnen de bloeddruppel die bekendstaat als het koffiekringeffect: deeltjes die in een verdampende druppel zweven, worden vanzelf naar de rand getransporteerd. Trantum c.s. hebben een aantal handigheden bedacht om dat effect naar hun hand te zetten. Aan een druppel bloed voegen ze een vloeistof toe waarin drie soorten deeltjes zweven: rode en groene bolletjes van polystyreen en gemagnetiseerde stukjes ijzeroxide. Onder het glasplaatje waarop de druppel ligt te drogen, brengen ze een permanent magneetje aan. ‘De magneet trekt de deeltjes ijzeroxide naar het midden, terwijl de gekleurde bolletjes door het koffiekringeffect naar de rand gaan’, legt Trantum uit. ‘Bloed dat niet met malaria is besmet, bevat niets dat die bewegingen hindert. Dus hopen zich groene en rode bolletjes op aan de rand, wat een kring met een geel-oranje kleur geeft.’

De methode is ook geschikt voor andere ziektes, zoals tuberculose

Terwijl de magneet en het ijzeroxide bij ‘schoon’ bloed in feite geen rol spelen, is dat met besmet bloed anders. Zulk bloed bevat grote hoeveelheden van het eiwit HRP-II, dat door de eencellige malariaparasiet wordt uitgescheiden. ‘Dat eiwit hecht zich aan de chemische ‘coating’ die we op het oppervlak van de magnetische en groene deeltjes hebben aangebracht. Samen vormen ze een complex dat door de magneet wordt aangetrokken.’ Het resultaat is de groene stip in het midden en de rode rand van de niet-gecoate rode deeltjes die nog steeds ongehinderd naar de rand bewegen. Trantum: ‘De methode is in principe ook geschikt voor andere ziektes als tuberculose.’

Stroming

Dit soort toepassingen is mogelijk sinds de vorming van koffie- en aanverwante kringen wordt begrepen, wat nog niet zo heel lang het geval is. In 1997 besloot natuurkundige prof.dr. Robert Deegan van de University of Chicago dat de koffiekringen op zijn bureau een serieus onderzoek waard waren. Hij ontdekte dat niet-uniforme verdamping de sleutel tot de spontane deeltjesmigratie vormt. ‘De verdamping gaat het hardst aan de rand van een druppel, omdat de damp daar het gemakkelijkst naar de drogere omgevingslucht kan ontsnappen’, verklaart dr.ir. Hanneke Gelderblom, die aan de Universiteit Twente op het koffiekringeffect is gepromoveerd. ‘Deegan liet zien dat kringen ontstaan als de vloeistof zich zo sterk aan de ondergrond hecht dat de rand van de druppel op z’n plaats blijft tijdens het opdrogen. Omdat de rand niet kan bewegen terwijl het druppelvolume afneemt, moet de vloeistof die bij de rand verdampt, worden vervangen door vloeistof uit het binnenste. Zo komt de stroming op gang en daardoor hopen de koffiedeeltjes zich aan de rand op.’

 

Het werkt ook met andere ‘colloïdale’ deeltjes, die wel microscopisch klein zijn, maar nog altijd veel groter dan de vloeistofmoleculen. Gelderblom: ‘De kennis over het koffiekringeffect heeft twee soorten toepassingen. Verf, coatings en inkten moeten zo egaal mogelijk opdrogen, dus daar moet kringvorming worden vermeden. Maar je kunt het effect ook juist nuttig gebruiken, zoals de malariasensor laat zien.’ Een toepassing waar veel onderzoek naar wordt gedaan is fabricage van fotonische kristallen. ‘Dat zijn zeer fijne kristallen voor het manipuleren van licht, bijvoorbeeld in lenzen en spiegels. Een manier om ze te maken is zelfassemblage met behulp van druppelverdamping.’ Gelderbloms onderzoek betekende een doorbraak voor het begrip van die methode. Deeltjes silicium die in een verdampende druppel zweven, kunnen aan de rand ervan kristallen vormen, als ze zich tenminste tot een nette structuur ordenen. Het was altijd vooral een kwestie van ervaring onder welke omstandigheden dat gebeurt. ‘Het was bijvoorbeeld bekend dat met nanodeeltjes grote kristallen waren te maken, terwijl dat met grotere deeltjes niet goed lukte.’

Die kwestie heeft Gelderblom samen met collega’s opgehelderd: hun experimentele onderzoek leidde tot een paar vrij eenvoudige formules die aangeven onder welke omstandigheden er kristallen zullen groeien. ‘Sinds Deegan kenden we het algemene mechanisme achter de kringvorming wel, maar nog niemand had onderzocht hoe de vorming in de tijd verloopt’, licht ze toe. Het startpunt van Gelderbloms onderzoek was dan ook een experiment om dat uit te zoeken.

De vloeistofrand kan niet bewegen als het druppelvolume afneemt

Het team gebruikte een waterdruppel waarin polystyreen bolletjes zweefden, een microscoop en een lichtbron. Terwijl de druppel verdampte, registreerde een camera de verplaatsingen van de deeltjes. Een computer hield hun posities in de druppel bij en rekende hun snelheden uit. ‘Een paar dingen vielen ons meteen op’, zegt Gelderblom, terwijl ze een filmpje laat zien met witte puntjes op een zwarte achtergrond, die zich eerst zonder haast van links naar rechts bewegen. Vrij plotseling lijken de bolletjes het op hun heupen te krijgen. ‘De stroomsnelheid is het grootste deel van de tijd heel laag, om tegen het eind van het verdampingsproces enorm toe te nemen. Het overgrote deel van de kring wordt dus pas op het allerlaatste moment gevormd.’ Hoe dat komt, kan Gelderblom gemakkelijk uitleggen. ‘De verdamping gaat min of meer constant, dus de volumestroom richting rand blijft ook even groot. Maar intussen wordt de druppel steeds dunner, dus moet de stroming door een alsmaar nauwere opening. Dat kan alleen als de stroomsnelheid steeds verder omhoog gaat.’

 

Chaos

Iets anders dat opviel, was het uiterlijk van de gevormde kring: een smal gebied aan de buitenkant was heel mooi geordend, maar meer naar binnen toe veranderde dat in volkomen chaos. Dat heeft alles met de toenemende stroomsnelheid te maken. ‘De deeltjes die in het begin aan de buitenkant worden afgezet, hebben de tijd om willekeurig rond te hoppen tot ze de positie hebben gevonden die energetisch het gunstigst is. Dat is de positie die tot kristalvorming leidt. De later aankomende deeltjes hebben die tijd niet, omdat de stroomsnelheid inmiddels veel hoger is. Ze worden meteen klemgezet door hun achtervolgers.’ Kristallenmakers willen uiteraard een zo laat mogelijk overgangsmoment van orde naar chaos. Gelderblom geeft hen houvast met een formule die beschrijft hoe dat moment afhangt van gegevens als de grootte en concentratie van de deeltjes en de verdampingssnelheid van de druppel.

 

 

‘Hydrodynamica is een heel oud vakgebied’, merkt Gelderblom op. Hoe kan het dan dat er nog steeds fundamenteel nieuwe ontdekkingen over zoiets gewoons als een vloeistofdruppel vallen te doen? ‘Om te volgen wat er met een druppel gebeurt heb je vaak geavanceerde technieken nodig, zoals een hogesnelheidscamera. Die technieken hebben zich de afgelopen jaren sterk ontwikkeld.’ Tegenwoordig onderzoekt Gelderblom in het kader van een samenwerking tussen chipmachinefabrikant ASML, de Universiteit Twente en de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie hoe met een laser beschoten druppels hete tin zich gedragen. Zulke druppels gebruikt ASML als lichtbron in zijn nieuwste chipmachines. Gelderblom: ‘Maar de minuscule tindruppels zijn met hun gedrag zelfs een hogesnelheidscamera te snel af. Daarom gebruiken we toch weer grote waterdruppels voor onze experimenten. Die gedragen zich precies hetzelfde als tin, alleen zijn alle tijdsduren en afstanden vele malen groter.’