Mengenal Efek Cincin Kopi, Pola yang Terbentuk Disaat Menikmati Kopi dan Mengantarkan Publikasi di Jurnal Nature

Apakah Anda penikmat kopi?
Kira-kira fenomena apa yang dapat Anda amati ketika menikmati secangkir kopi?
Apakah perpindahan kalor di antara 2 permukaan (air panas dan udara)?
Apakah proses dispersi larutan kopi dan gula ke air panas?
Apakah pengaruh luas permukaan tatakan cangkir terhadap kecepatan pendinginan kopi?
Atau apa?

Pada artikel ini akan dibahas tentang teori luar biasa yang terinspirasi dari kejadian sehari-hari. Dalam ilmu fisika, bukan hanya kisah Newton, yang ketika beristirahat dibawah pohon apel kemudian merumuskan gravitasi disaat mengamati jatuhnya apel. Bukan hanya kisah Pak BJ. Habibie, yang ketika memasak bakso bersama kekasihnya kemudian menginspirasi bentuk kapal selam bola yang berujung pada apresiasi dari profesornya. Sebenarnya cukup banyak  fenomena sehari-hari yang menginspirasi ditemukannya suatu teori penting. Artikel ini akan menjelaskan salah satunya.

Sebenarnya cukup banyak  fenomena sehari-hari yang menginspirasi ditemukannya suatu teori penting.

Pada tahun 1997, Seorang peneliti dari Insitut James Franck Amerika bernama Robert D. Deegan menemukan fenomena sangat menarik ketika meminum secangkir kopi. Pak Deegan mengamati bahwa ketika bekas cairan kopi mengering, ada bekas seperti cincin yang terbentuk. Apakah Anda juga mengamatinya?

[Kiri] Tumpahan kopi [Kanan] Bentuk cairan kopi yang telah mengering

Cincin yang terbentuk pada keliling bekas kopi tersebut terlihat lebih gelap dibandingkan daerah didalamnya. Efek ini disebut dengan coffee ring effect, atau efek cincin kopi. Terinspirasi dari bekas cairan kopi yang mengering tersebut,  Pak Deegan berhasil menerbitkan makalah ilmiah di Jurnal Nature (Jurnal peringkat 20 di dunia versi Scimagojr[1]) berjudul “Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops“[2] dan juga di jurnal-jurnal lainnya[3][4].

Tidak hanya sebatas menerbitkan makalahnya di jurnal, Pak Deegan menginspirasi puluhan ribu peneliti lainnya untuk meneliti lebih dalam tentang efek cincin kopi. Jika Anda mencari di google scholar, ada lebih dari 268.000 judul makalah yang bertopik efek cincin kopi[5]. Fantastis kan? Sebenarnya apa sih yang istimewa dari bekas kopi yang mengering?

Bentuk cincin dari suatu cairan yang mengering sebenarnya tidak hanya terjadi pada kopi, dalam kehidupan sehari-hari ada pula cairan yang menyebabkan terbentuknya noda berbentuk cincin di tepi gelas, juga ditepian suatu gambar yang dilukis dengan cat air.

Dalam dunia penelitian dan industri, efek cincin kopi ini ada yang bersifat diinginkan, artinya sebisa mungkin efek cincin kopi tersebut dapat tercipta. Namun dalam banyak hal, efek cincin kopi bersifat tidak diinginkan dan sebisa mungkin dihindari, terutama jika berkaitan dengan pelapisan nanopartikel pada suatu permukaan (terutama pelapisan dengan metode spin coating dan drop casting)[6]. Tidak hanya dalam proses pelapisan, efek cincin kopi ini juga biasa diamati dalam proses pencetakan (printing) dan juga pencucian (washing). Mari kita bahas satu persatu, efek cincin kopi yang diinginkan kemudian efek cincin kopi yang tidak diinginkan.

Diinginkannya efek cincin kopi ini ketika efek tersebut digunakan untuk membuat pola tertentu pada suatu permukaan, misalnya pola 5 garis berulang ketika proses printing [1][6]. Sedangkan tidak diinginkannya efek cincin kopi ketika permukaan yang datar dan merata harus terbentuk, misalnya pada proses fabrikasi sel surya[7], pelapisan cladding pada pandu gelombang optik (yang sedang diteliti oleh penulis di Photonics Research Center Universiti Malaya), dll.

Baca juga Fotolitografi: Proses yang Melahirkan Teknologi Modern, Bagian 2

Efek cincin kopi yang terbentuk pada tetesan SnO2 (Tin(IV) Oxide) yang dikeringkan pada temperatur 80oC.(Sumber: dokumentasi penulis, baca juga  Timah(IV) Oksida; Material Superstar dalam Aplikasi sebagai Sensor Gas)

Pada proses fabrikasi sel surya yang berbasis lapisan semitransparant MnO2, kehadiran efek cincin kopi dapat mengurangi performa sel surya. Padahal secara alami, ketika MnO2 dilapiskan dengan cara drop casting (diteteskan dengan pipet), maka akan terbentuk efek cincin kopi dengan sendirinya.

Penelitian yang berjudul “Suppressing the Coffee-Ring Effect in Semitransparent MnO2 Film for a High-Performance Solar-Powered Energy Storage Window” dan diterbitkan di jurnal ACS applied materials & interfaces mengukur berbagai parameter yang mempengaruhi performa sel surya dengan membandingkan sel surya yang terdapat efek cincin kopi dan sel surya yang efek cincin kopinya hilang karena penambahan tetesan etanol[7]. Hasilnya adalah hambatan seri berkurang dari 120 ohm (dengan efek cincin kopi) menjadi 90 ohm (tanpa efek cincin kopi) dan juga kerapatan arusnya bertambah dari 0.05 mA cm-2 (dengan efek cincin kopi) menjadi 1 mA cm-2  (tanpa efek cincin kopi).  Jadi, sangat penting bukan pengaruh efek cincin kopi ini?

Mungkin sampai bagian ini muncul pertanyaan, lantas bagaimana sih mekanisme terbentuknya efek cincin kopi?

Bayangkan 1 tetesan kopi. Terbentuknya efek cincin kopi disebabkan oleh aliran kapiler (capillary flow) dari arah tengah tetesan kopi ke bagian pinggiran tetesan. Aliran kapiler (kecepatan alirannya cukup kecil sehingga tidak kasat mata) terjadi akibat tetesan yang berada di pinggir menguap lebih cepat dari pada dibagian tengah tetesan. Namun ketika sudah sampai di pinggiran, aliran tersebut akan tertambat di pinggir dan hanya sedikit yang kembali ke tengah tetesan atau bahasa ilmiahnya adalah “pinning of the contact line of the drying drop at the edge” [1]. Banyaknya zat terlarut yang menempel di pinggir dan hanya sedikit yang kembali ke tengah tetesan disebabkan oleh ketidakmampuan diameter tetesan untuk mengecil,  hal ini dikarenakan tetesan sudah menempel pada lapisan dibawahnya (contact line is pinned).

Visualisasi proses terbentuk efek cincin kopi, aliran kapiler dari bagian tengah tetesan dan kemudian tertambat pada pinggir tetesan. Warna putih adalah polystyrene microspheres [1]

Yang lebih penting dari mengetahui efek cincin kopi adalah cara mengendalikan efek cincin kopi, apakah kita menginginkan efek tersebut terjadi atau tidak. Pada artikel selanjutnya akan dibahas tentang cara mengendalikan efek cincin kopi, oleh karena itu stand by terus di website warstek ya. Salah satunya adalah dengan cara berlangganan info artikel terbaru Warstek melalui email yang dapat diisi pada form berikut.

Berlangganan Artikel Warstek via email

Apakah Anda tidak tertarik untuk meneliti tentang efek cincin kopi?

Referensi:

[1] Scimago Journal & Country Rank. http://www.scimagojr.com/journalrank.php .  Diakses pada 14 Maret 2018

[2] Deegan, R.D., Bakajin, O., Dupont, T.F., Huber, G., Nagel, S.R. and Witten, T.A., 1997. Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops. Nature, 389(6653), p.827.

[3] Deegan, R.D., Bakajin, O., Dupont, T.F., Huber, G., Nagel, S.R. and Witten, T.A., 2000. Contact line deposits in an evaporating drop. Physical review E62(1), p.756.

[4] Deegan, R.D., 2000. Pattern formation in drying drops. Physical review E61(1), p.475.

[5] Google Scholar. https://scholar.google.com/scholar?hl=en&as_sdt=0%2C5&q=coffee+ring+effect&btnG= . Diakses pada 14 Maret 2018

[6] Majumder, M., Rendall, C.S., Eukel, J.A., Wang, J.Y., Behabtu, N., Pint, C.L., Liu, T.Y., Orbaek, A.W., Mirri, F., Nam, J. and Barron, A.R., 2012. Overcoming the “coffee-stain” effect by compositional Marangoni-flow-assisted drop-drying. The Journal of Physical Chemistry B116(22), pp.6536-6542.

[7] Jin, H., Qian, J., Zhou, L., Yuan, J., Huang, H., Wang, Y., Tang, W.M. and Chan, H.L.W., 2016. Suppressing the Coffee-Ring Effect in Semitransparent MnO2 Film for a High-Performance Solar-Powered Energy Storage Window. ACS applied materials & interfaces8(14), pp.9088-9096.

 

 

Artikel Berhubungan:

Sponsor Warstek.com:
Nur Abdillah Siddiq

Nur Abdillah Siddiq

Mahasiswa S3 Fisika ITS, menekuni bidang Optoelektronik dan Elektromagnetika Terapan. Sangat mencintai aktivitas membaca dan mendesain. Profil lebih lengkap dapat dilihat di www.facebook.com/fisrek

Yuk Ajukan Pertanyaaan atau Komentar