Pour tous ceux qui ont été émerveillés par les couches richement colorées d'un café au lait, tu n'es pas seul. chercheurs de Princeton, également intrigué, ont maintenant révélé comment cette structure à plusieurs niveaux se développe lorsque l'espresso est versé dans du lait chaud.

"La formation de structure dans un café au lait est surprenante car elle évolue du chaotique, le versement initial et le mélange des fluides dans un très organisé, disposition distincte des couches, " dit Nan Xue, auteur principal d'un article décrivant les résultats de Communication Nature , et un étudiant diplômé du laboratoire de Howard Stone, le professeur Donald R. Dixon '69 et Elizabeth W. Dixon de génie mécanique et aérospatial à Princeton.

Les techniques de rodage pour produire des couches recherchées en faisant couler des liquides les unes dans les autres pourraient réduire les coûts et la complexité dans une gamme d'applications.

« Du point de vue de la fabrication, un seul processus de coulée est beaucoup plus simple que l'empilement séquentiel traditionnel de couches dans un produit stratifié, " dit Stone. " Dans une application de cette étude, nous explorons la physique derrière la création d'une structure en couches entière en une seule étape, plutôt qu'un empilement des couches une par une."

L'inspiration pour le projet de recherche est venue d'une personne non sollicitée, photo envoyée par e-mail d'une boisson au café en couches envoyée à Stone. Avec Xue à la recherche d'un projet à entreprendre alors qu'il commençait ses études supérieures, il a d'abord étudié le concept en préparant des lattes en laboratoire, en utilisant du café et du lait du commerce.

Après plusieurs essais, il est devenu clair pour Xue que rester dans certains paramètres seulement, telles que les températures et les taux d'écoulement, autorisé pour un café au lait caractéristique. Ces efforts ont fait allusion au sous-jacent, physique quantifiable qui devait être impliquée dans la formation de sa structure liquide.

Pour contrôler plus précisément leur modèle de stratification de latte, Xue et ses collègues ont opté pour une recette de remplacement qui ferait frémir un barista :de l'eau teintée remplaçant le café chaud, et salé, eau plus dense pour le lait chaud.

Un panneau de diodes électroluminescentes et une caméra ont ensuite illuminé et capturé le mouvement des fluides dans le mélange. Les chercheurs ont ensemencé le mélange avec des particules traceuses, qui diffusait la lumière d'un faisceau laser vert, pour suivre davantage la dynamique interne du faux-latte, une technique appelée vélocimétrie par image de particules. Finalement, des simulations numériques ont été exécutées pour comparer les données recueillies avec divers modèles du système évolutif de mélanges de liquides.

L'analyse globale a montré que le mécanisme principal derrière la stratification est un phénomène connu sous le nom de convection double diffusion. Il se produit lorsque des fluides empilés de densités différentes, poussés par gravité à mélanger leur contenu, échangent de la chaleur par le mouvement de leurs matériaux constitutifs. Dans un mélange donné, plus dense, évier de liquides plus frais, tout en étant plus léger, les liquides plus chauds montent. Cette descente et montée s'arrête, cependant, lorsque la densité locale dans une région au sein d'un café au lait approche d'un équilibre. Par conséquent, le fluide y doit s'écouler horizontalement, plutôt que verticalement, créer des bandes distinctes, ou couches.

A travers leurs expériences, les chercheurs ont examiné l'importance de la vitesse d'injection du liquide dans le lait chaud. Si versé trop lentement, le fluide le plus dense se mélangera trop uniformément lorsqu'il s'écoulera dans le fluide moins dense. Un débit de coulée plus rapide amène le premier à perforer le second et déclenche les mouvements rapides qui aboutissent à la stratification souhaitée lorsque les équilibres de densité sont établis.

Des travaux supplémentaires doivent être effectués pour caractériser l'effet de stratification démontré dans les lattes afin d'étendre le contrôle de celui-ci à d'autres liquides et semi-solides nivelés. Mais les découvertes préliminaires de Xue et de ses collègues ont déjà montré comment l'activité au sein d'une boisson commune pouvait conduire à des idées peu communes.

"Ce résultat montre la beauté de la mécanique des fluides et est très significatif, " a déclaré Detlef Lohse, un professeur de mécanique des fluides à l'Université de Twente aux Pays-Bas qui n'a pas participé à l'étude. « Je pense que cela aura une incidence sur divers flux industriels et procédures de mélange dans ce qu'on appelle la technologie des procédés, dans lequel le mélange de fluides de densités différentes par injection de l'un dans l'autre est omniprésent."

Lohse a en outre souligné comment la recherche de Princeton pourrait aider à mieux expliquer les flux d'eau dépendants de la chaleur et de la salinité dans les vastes océans de la Terre, un phénomène qui a des implications clés en climatologie et en écologie. "La découverte la plus impressionnante est peut-être qu'il existe une analogie parfaite entre la superposition d'un café au lait, " dit Lohse, "et la stratification connue et extrêmement pertinente de l'eau avec différentes températures et concentrations de sel dans l'océan."