בפעם הבאה שטיפת קפה (שחור) מתיזה מן הכוס שלכם, נסו לא לנקות אותה מיד אלא להשאיר אותה להתייבש על השיש או השולחן, לצורך ניסוי מדעי: בדיקת צורת הכתם שיישאר. כאשר הטיפה, שהחלה את דרכה בצורת עדשה (עקב מתח הפנים של המים), תתייבש לגמרי, חלקיקי הקפה ייצרו טבעת ששוליה החיצוניים עבים וכהים, ואילו מרכזה ריק ונקי. [בדקו עם אילו חומרים נוספים מתקבלת טבעת כזו. זה עובד גם עם כתם של יוגורט!] תופעה זו נקראת "אפקט טבעת הקפה".

קבוצת מחקר מהולנד גילתה ב- 2011 את מבנה טבעת הקפה. כאשר המים בטיפת הקפה מתחילים להתאדות, חלקיקי הקפה היבשים זורמים לאיטם אל עבר שולי הכתם, שהם גבולות הטיפה. הודות לקצב התנועה האיטי, יש לחלקיקים זמן ואפשרות להתגבש באופן מסודר. אולם, ככל שהמים בטיפה הולכים ומתאדים, יש פחות מים על פני אותו שטח ותנועת מולקולות המים נעשית מהירה מאד. מערבולות ושינויים בקצב וכיוון זרימת המים גורמים לחלקיקי הקפה שעוד נותרו בטיפה להידחף אל השוליים במהירות גוברת והולכת. החוקרים מכנים שלב זה "שעת השיא" (rush hour) של החלקיקים. כעת, אין לחלקיקים זמן רב להסתדר באופן מסודר, והם נערמים באופן אקראי זה ליד זה במהירות רבה, לפני שכל הנוזל יתאדה. התוצאה היא ששולי טבעת הקפה מורכבים ממעגל של גבישים מסודרים, ובתוכו מעגל נוסף של חלקיקים חסרי-סדר.

להבנת המבנה ותהליך ההיווצרות של טבעות הקפה יש חשיבות גדולה בהבנת ההתנהגות של תמיסות נוספות שמורכבות מנוזל בו מפוזרים חלקיקים. אלה נקראות "תמיסות קולואידיות" או תרחיפים (suspensions). דוגמאות לתמיסות כאלה כוללות צבעים, ציפויים שונים כמו לכה, ותרופות.

לאחרונה התגלה פן נוסף הקשור לאופן יצירת טבעות הקפה. קבוצת חוקרים מבלגיה בדקה את אופן ההתפשטות של החיידק פסיאודומונס ארוגינוזה (Pseudomaonas aeruginosa) בטיפת נוזל כאשר הנוזל מתאדה. פסאודומנס ארוגינוזה הוא חיידק שמשגשג בפצעים פתוחים ורקמות פגועות, והוא בעל עמידות גבוהה לאנטיביוטיקה. עקב עמידותו, הידבקות בו עלולה להיות מסוכנת מאד.

לפי אפקט טבעת הקפה, ככל שהנוזלים בפצע מתייבשים, אמורים היו החיידקים שזיהמו אותו להידחף אל השוליים, בדומה לחלקיקי הקפה. אולם מסתבר שחיידקי הפסאודומונס מפרישים חומרים מיוחדים אשר פועלים נגד אפקט טבעת הקפה ומאפשרים להם להתפשט גם בתוך גבולות הטבעת ולהתרבות על פני כל האיזור הנגוע. אלה מכונים חומרים פעילי שטח, או סורפקטנטים (surfactants). הם בעלי צד חובב מים (הידרופילי) וצד חובב שומן (הידרופובי), ומורידים את מתח הפנים של הנוזל בטיפה. דוגמאות לחומרים פעילי שטח הם הסבונים והדטרגנטים למיניהם והחומרים המתחלבים (אמולסיפיירים) כמו לציטין.

לא ברור עדיין אם צורת התפשטות זאת חיונית לשגשוג של חיידקי הפסאודומונס, או שהיא פשוט נותנת להם יתרון שמאפשר להם להתפשט על-פני שטח גדול ולנצל יותר משאבים סביבתיים. דרך אגב, לא כל החיידקים נוהגים כך. למשל, החיידק אי. קולי (E. coli) אינו מפריש חומרים פעילי שטח. לכן, החוקרים השתמשו בחיידקי אי. קולי ובתמיסות קולואידיות אחרות כדי להשוות את מערכת חיידקי הפסאודומנס לכזו שבה מוסיפים חומרים פעילי שטח חיצוניים, עם תוצאות דומות.

יישומים אפשריים של התגלית הזאת כוללים הינדוס חיידקים שהם חסרי יכולת לסנתז את החומרים פעילי השטח, וכן ההיפך: הוספת חומרים פעילי שטח  למגוון של חומרים קולואידיים, מה שיאפשר יצירת שכבה אחידה לאחר התייבשות הנוזל.

לקריאה נוספת:

מבנה טבעת הקפה – תקציר Science Daily והמאמר:

Marín, A. et al, Order-to-Disorder Transition in Ring-Shaped Colloidal Stains. Physical Review Letters, 2011; 107:8

החיידקים ואפקט טבעת הקפה- תקציר Science Daily והמאמר:

 Sempels, W. et al. Auto-production of biosurfactants reverses the coffee ring effect in a bacterial system.  Nature Communications, 2013; 4: 1757