咖啡漬為何總是邊緣深內(nèi)部淺？背后竟然藏著一個(gè)有趣的科學(xué)奧秘

生活中，每個(gè)人都會(huì)有不慎打翻咖啡、茶水、飲料的經(jīng)歷，在手忙腳亂的同時(shí)，不知道你是否注意到這樣一個(gè)神奇的現(xiàn)象——如果不小心打翻，或者是將咖啡滴落到桌面上，等它干燥之后，形成的污漬會(huì)是一個(gè)外圍深色，內(nèi)部淺色的環(huán)。

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不同于透明的純凈水，咖啡和茶水這類的沖泡飲品，在某種意義上都可以歸為溶液一類（嚴(yán)格來說是溶液和懸濁液的混合物），溶解在水中的物質(zhì)直觀地顯現(xiàn)出其顏色。

以大家常喝的咖啡為例，它的深褐色就來自于咖啡豆經(jīng)過烘焙、萃取后的炭黑色物質(zhì)，在咖啡沖泡之后，這些物質(zhì)就變成了懸浮在液體中的若干小顆粒。我們不小心滴到衣服上或者桌面上的咖啡漬、茶漬就是如此。

雖然知道了這些污漬的顏色是小顆粒造成的，那么又是什么讓這些小顆粒最終變成了一個(gè)環(huán)呢？

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人們是如何認(rèn)識(shí)咖啡環(huán)效應(yīng)的

對(duì)于大部分普通人而言，咖啡環(huán)效應(yīng)不過是生活中一個(gè)偶然現(xiàn)象。但在物理學(xué)家的眼里，這背后大有玄機(jī)。1997年，芝加哥大學(xué)的物理學(xué)家西德尼·納高和托馬斯·威騰等人在《自然》雜志上發(fā)表了關(guān)于“咖啡環(huán)效應(yīng)”的論文。

在這篇文章中，咖啡環(huán)效應(yīng)第一次被正式描述，但這篇論文的重點(diǎn)還是集中在懸浮的球形顆粒。后來，伴隨著同類研究的不斷深入，人們才逐漸了解到懸浮顆粒形狀的作用。

繼而，關(guān)于如何破除“咖啡環(huán)效應(yīng)”的研究成果也不斷顯現(xiàn)。如賓夕法尼亞大學(xué)的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)就寄希望于改變?nèi)芤褐械念w粒形狀，來破壞咖啡環(huán)效應(yīng)，尋找實(shí)現(xiàn)均勻沉積固體顆粒層的新方法。

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02

什么造成了“咖啡環(huán)效應(yīng)”

咖啡環(huán)效應(yīng)雖以咖啡命名，但廣義來說，應(yīng)該是“溶液”在固體表面蒸發(fā)時(shí)發(fā)生的一種現(xiàn)象。

而以咖啡圓環(huán)為代表的、可觀察到的有色圓環(huán)的形成過程也是較為直觀的：當(dāng)溶液滴落在桌面或是紙張上時(shí)，液滴蒸發(fā)并不會(huì)形成等比例漸漸縮小的圓圈而是形成外側(cè)溶質(zhì)顆粒多，內(nèi)測(cè)溶質(zhì)顆粒少的圓環(huán)形狀。

圖片來源：化工儀器網(wǎng)

這是因?yàn)橐旱沃械乃谡舭l(fā)時(shí)，受桌面與液體之間的固液界面和和液體與空氣表面的氣液界面的相互作用不同，導(dǎo)致液滴不同位置的水的蒸發(fā)速率不同，促使了咖啡環(huán)的形成。

在桌面或紙面與液滴之間的界面處，水的蒸發(fā)速率要比在液滴與空氣之間的界面處水的蒸發(fā)快，如此一來，液滴中間的水分子就會(huì)攜帶溶質(zhì)和顆粒來到液滴與桌面或紙面的邊緣進(jìn)行補(bǔ)充。最終水蒸發(fā)掉之后，溶質(zhì)小顆粒們不斷在邊緣積累，就變成了“環(huán)”。

03

小發(fā)現(xiàn)背后的大運(yùn)用

咖啡環(huán)效應(yīng)也不僅是生活中一個(gè)有意思的小現(xiàn)象，它的出現(xiàn)實(shí)際上也為人們的生產(chǎn)生活帶來一些煩人的困擾，如打印機(jī)噴墨不均勻也是“咖啡環(huán)效應(yīng)”的顯現(xiàn)。

為了解決這一問題，科學(xué)家們開始尋找液滴蒸發(fā)后如何形成均勻固體層的辦法。后來他們發(fā)現(xiàn)，想要解決這一現(xiàn)象，需要改變懸浮顆粒的性質(zhì)?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)不同的粒形以能夠改變空氣和液體交界面上的薄膜的性質(zhì)，從而影響蒸發(fā)過程。

在同等條件下，橢圓形的顆粒會(huì)改變空氣和液體的交界面，雖然目前這項(xiàng)研究還未完全成熟，但是科學(xué)家們?nèi)匀恢铝τ谕ㄟ^改變懸浮顆粒形狀去除“咖啡環(huán)效應(yīng)”的研究。但這一發(fā)現(xiàn)，直接揭露了顆粒形狀對(duì)蒸發(fā)的作用，有效指導(dǎo)人們改進(jìn)印刷、繪畫的方法。

科學(xué)家研究不同形狀的微粒對(duì)蒸發(fā)的影響

來源 | 《Control of Droplet Evaporation on Oil-Coated Surfaces for the Synthesis of》

除此之外，咖啡環(huán)效應(yīng)還在生物和醫(yī)療領(lǐng)域“閃閃發(fā)光”，在醫(yī)學(xué)診斷上，科學(xué)家們將“咖啡環(huán)效應(yīng)”與生物傳感技術(shù)結(jié)合，用于檢測(cè)唾液、血液等體液中的生物標(biāo)志物。美國范德比爾特大學(xué)的研究人員就在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一種快速檢測(cè)瘧疾的方法。

作為一種烈性傳染病，如何快速查出瘧疾是防治傳染擴(kuò)散的重要手段。在這種檢測(cè)方法中，研究人員在待測(cè)液體中添加三種顆粒（可發(fā)出紅色熒光、可發(fā)出綠色熒光、具有磁性卻無法發(fā)出熒光）。當(dāng)含有這三種顆粒的水滴在磁場作用下干燥時(shí)，兩種可以發(fā)出熒光的顆粒就會(huì)聚集在液滴邊緣，呈現(xiàn)綠光和紅光相疊而成的黃色圓環(huán)。

磁性顆粒會(huì)和病原體瘧原蟲分泌的一種特殊蛋白質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并與綠色熒光顆粒相連，兩種有色顆粒都會(huì)留下，呈現(xiàn)紅色圓環(huán)＋綠色圓斑，通過顏色和形狀的判定，最為直觀地展現(xiàn)是否存在瘧原蟲感染的情況。

圖片來源：《科學(xué)世界》

不僅如此，咖啡環(huán)效應(yīng)還讓人們關(guān)注到可以按照顆粒尺寸的不同分離出同一種溶液中的多種溶質(zhì)，如集中在咖啡環(huán)的最外側(cè)的顆粒直徑最小，咖啡環(huán)的內(nèi)側(cè)的直徑更大，利用這一原理實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離。

牛頓被蘋果砸到頭，繼而開始關(guān)注萬有引力；或許科學(xué)的奧秘也正藏在生活中這些細(xì)微的現(xiàn)象中等人探尋。下次你喝咖啡的時(shí)候，若是再有咖啡不小心滴到桌面上，不妨不緊不慢地擦干凈，并暢想一番咖啡環(huán)效應(yīng)的新應(yīng)用。

審核｜苗光耀 凝聚態(tài)物理博士

來源：數(shù)字北京科學(xué)中心

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