Sekret „dziurawych” czajników

Herbata Orange Pekoe z mlekiem /www.wikipedia.org
Herbata Orange Pekoe z mlekiem /www.wikipedia.org

My, Polacy, traktujemy herbatę jak kolejny sympatyczny napój. Większość z nas nie przywiązuje jednak nadmiernej uwagi do tego, jak ta herbata jest serwowana. Nie ma w tym nic złego – ja sam nie tylko wolę ją pić w kubku, ale i nie mam nic przeciwko tak podanej herbacie, gdy idę do kogoś z wizytą. Niektórzy z nas będą woleli szklanki, inni filiżanki. Jedni z nas będą pić czarną, inni zieloną, a inni owocową (a jeszcze inni patrząc na herbaty owocowe lub ziołowe będą w nich widzieć obrazę majestatu). Innymi słowy na polskim rynku herbacianym – wolna amerykanka.

Są jednak nacje, które kwestie herbaty traktują ze znacznie większą powagą. I, będąc obecnie rezydentem Wysp, mam na ten temat sporo do powiedzenia. Otóż każdego dnia w moim biurze odbywa się w okolicy godziny czwartej po południu ten sam rytuał. Nastawiany jest czajnik z wodą. Następnie, gdy woda jest zagotowana wlewa się odrobinę do odrębnego czajnika (teapot, nie jestem nawet pewien, czy to naczynie ma swoje imię w języku polskim) na herbatę, aby go nieco podgrzać. Do czajnika wrzuca się także adekwatną ilość torebek herbaty – zakładając, że i tak dokonujemy takiej abominacji i używamy torebek. Królowa zapewne nie zniża się do tego poziomu – tzn. tyle torebek, ilu będzie partycypantów wydarzenia plus jedną ekstra „dla czajnika”. Następnie całość zalewa się wodą. Gdy herbata się parzy, przygotowuje się kubki – znowuż, dzieje się tak li tylko dlatego, że jest to robocza herbata, w domu nikt by po kubek nie sięgnął – wlewając do każego na dno odrobinę mleka (i jest na to historyczne uzasadnienie!). Wreszcie, gdy herbata jest zaparzona, zalewa się nią mleko w kubku. Oczywiście cukier jest zabroniony. A jeszcze gorzej, żeby ktoś popełnił takie faux pas, jakie ja popełniam regularnie, czyli pił herbatę nie tylko z cukrem, ale i z cytryną!

Jak więc widzicie, herbata to poważna sprawa. Całą powagę potrafi zabić jednak taki idiotyczny szczegół, jak ciecz ściekająca po szyjce czajnika na piękny biały obrus (to problem domowy, u nas wszystko ścieka na szafki z dokumentacją aparatury :)), zamiast do filiżanek. Jednak pewna grupa badaczy postanowiła podjąć rękawicę i zmierzyć się z tym wyzwaniem. I zgadnijcie co? To nie byli Brytyjczycy, lecz Francuzi! Jak to ujął mój francuski kolega – stało się tak dlatego, że Francuzi zajęli się badaniem herbaty, gdy Brytyjczycy zajęci byli jej piciem…

Do rzeczy więc. Grupa badaczy z uniwersytetu w Lyon, specjalizująca się w dynamice płynów, próbowała znaleźć odpowiedź na pytanie, dlaczego przy mniejszych prędkościach (czyli np. gdy czajnik jest już bardziej pusty niż pełny) herbata zamiast lać się do filiżanki, ścieka po szyjce na obrus.

Gdy ciecz, tu: herbata, wypływa z czajnika szybko, oddziela łatwo się od powierzchni czajnika. Przy mniejszych prędkościach jednak w grę zaczynają wchodzić różne oddziaływania między cieczą, a powierzchnią czajnika, a także zapewne wpływ zaczyna mieć napięcie powierzchniowe. Wówczas ciecz z powrotem „przyłącza” się do powierzchni i zaczyna po niej ściekać. Wiele różnych czynników wpływa na to, jak i kiedy dochodzi do przejścia między płynnym nalewaniem herbaty, a ściekaniem po ściankach naczynia: np. średnica szyjki czajnika, materiał, z którego skonstruowany jest czajnik, oczywiście sama prędkość wypływu cieczy itd. itp.

Muszę jednak zaznaczyć, że ani wytłumaczenie, ani rozwiązanie zaproponowane przez Francuzów nie jest unikatowe w ogólności. Jednak prawdopodobnie jako pierwsi spróbowali zaaplikować tę wiedzę do rozwiązania tak przyziemnego problemu.

Francuzi tłumaczą to powinowactwo cieczy do czajnika efektem hydro-kapilarnym, który, jak rozumiem, działa poniekąd na tej samej zasadzie co znane powszechnie zjawiska kapilarne (czyli samoistne zasysanie cieczy do wąskich rurek, np. kapilar). Dodatkowym czynnikiem jest zwilżalność materiału, z którego zrobiony jest czajnik – pewne materiały będą łatwiej zwilżalne (czyli ciecz będzie chętniej na nich pozostawać, np. szkło), a inne mniej (czyli ciecz będzie się starać zmniejszać powierzchnię kontaktu, np. teflonowa patelnia). Uzbrojeni w tę wiedzę Francuzi zaproponowali pokrycie szyjki czajnika tzw. materiałami superhydrofobowymi. Materiały hydrofobowe, to takie, które za wodą nie przepadają, zwilżanie na nich działa przeciętnie, a każdy wodopodobny płyn na ich powierzchni będzie się formowal w krople (tak, aby sfera kontaktu była jak najmniejsza). Materiały superhydrofobowe są w tej kwestii ekstremalne, nie dochodzi praktycznie w ogóle do żadnego zwilżania, a krople cieczy po ich powierzchni jeżdżą, jak pijany na łyżwach:

Badacze zasugerowali także, że w przypadku niektórych materiałów superhydrofobowych zwilżalność może być kontrolowana poprzez przykładanie do powierzchni napięcia rzędu kilkuset woltów. Wkraczają tu w obszar dziedzin zajmujących się zjawiskiem jeszcze ciekawszym niż zwilżalność – a mianowicie elektrozwilżalnością (wiem, wiem, że to średnio oryginalna nazwa). Oczywiście zastosowanie tego typu właściwości materiałów do rozwiązania problemu plam na obrusie powoli zaczyna być przerostem formy nad treścią, jednak w innych dziedzinach, takich jak ukochana przeze mnie mikrofluidyka (i niech ktoś wreszcie wymyśli zręczniejszą polską nazwę!), ich badania mogą znaleźć sporo zastosowania. Poniżej ilustracja z pracy pokazująca, jak zmienia się zachowanie herbaty, po pokryciu czajnika materiałem superhydrofobowym:

Czajnik herbaciany...
Na obrazkach a) widać zachowanie cieczy, gdy zmniejsza się prędkość cieczy wypływającej z normalnego czajnika. Na obrazkach b) to samo, po pokryciu szyjki czajnika materiałem superhydrofobowym. Fig 1. z arXiv:0910.3306.

Publikacja wstępnie opublikowana na arXiv.org, ale widziawszy treść oczekiwałbym jej w Physics Reviews lub czymś w tym stylu. Na razie jednak dostępna dla wszystkich:

„Beating the teapot e fect”, Cyril Duez, Christophe Ybert, Christophe Clanet, Lyderic Bocquet, arXiv:0910.3306 (17 Oct 2009)

7 Comments

  1. Po co takie dewagacje z herbata sciekajaca po dziubku imbryka- wystarczy wejsc do byle jakiego chinskiego sklepiku i kupic zwykly imbryk do herbaty z napisem Made in China . Chinczycy juz dawno to opanowali i produkuja wlasnie imbryki z ktorych o dziwo nie scieka herbata po wlaniu do filizanki.

    Lubię

    1. No już nie bądźmy tacy małostkowi. Przecież Francuzom tak naprawdę nie chodziło o herbatę, tylko o badania wspomnianych właściwości hydrofobowych pewnych powierzchni. A że odnieśli to do problemu, który przeciętny zjadacz chleba zna z życia codziennego? Chwała im za to.

      Lubię

  2. Szwedzi przed Francuzami! Już ponad 2 lata temu kupiłem w IKEI imbryk który na gumową (hydrofobową) nakładkę na dzióbek, taki 2-cm długości rękawek. Może nie działało to rewelacyjnie (brak super przed hydrofobową?), ale działało. Dopóki nakładki nie zgubiłem. Teraz mam recepturkę nałożoną w tym miejscu, ale to już nie to samo i jest sporo wycierania.

    Lubię

  3. miałem kiedyś taki dzbanek na wodę, w którym konstrukcja dzióbka była tak koszmarna, że aby uchronić się przed „przyklejaniem się” strumienia do dzbanka, trzeba było wykonać tak drastyczny przechył, że często się nie trafiało do szklanki :D
    A zwyczaj o 4 po południu to jest rewelacja. 20 minut na plotki, dowcipy, celebrację czyichś urodzin etc.

    Lubię

    1. No właśnie ten nasz czajnik – a od jakiegoś miesiąca mamy nowy (większy, lepszy, etc.) – ma ten sam problem. Znaczy cieknie. Dzisiaj zasugerowałem, żebyśmy użyli taki teflonopodobny materiał, który mamy w labie w sprayu… Tylko nie wiem, czy na smak herbaty nie wpłynie…

      Co do herbatki o czwartej – dobrze robi na morale w grupie. Zwłaszcza jak ma się tak upierdliwego szefa jak my, którego jednak zazwyczaj już o tej porze nie ma :)

      Lubię

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s