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咖啡是许多人日常生活中的必需品，身边不少小伙伴，每天如果不喝上一杯咖啡，总感觉生活和工作中少了点什么。如果生活中的你经常喝咖啡，那么你或许有过咖啡不小心散出或滴落的经历，在手忙脚乱的同时，不知道你是否注意到这样一个神奇的现象：滴落在桌面上的咖啡如果不及时擦拭，等它干燥后，桌面上形成的污渍就是一个外围深色、内部浅色的环。这种现象被称为“咖啡环”效应。然而，这个看似简单的 “咖啡环”效应背后却隐藏着科学的奥秘！
生活中常见的咖啡环效应
咖啡环效应的发现
1997年，芝加哥大学的物理学家西德尼·纳高和托马斯·威腾等人在《自然》杂志上发表了关于“咖啡环效应”的论文。在这篇文章中，咖啡环效应第一次被正式描述，但这篇论文的重点还是集中在悬浮的球形颗粒。后来，伴随着同类研究的不断深入，人们才逐渐了解到悬浮颗粒形状的作用。继而，关于如何破除“咖啡环效应”的研究成果也不断显现。如宾夕法尼亚大学的物理学家团队就寄希望于改变溶液中的颗粒形状，来破坏咖啡环效应，寻找实现均匀沉积固体颗粒层的新方法。
1997年，咖啡环效应的相关研究登上Nature封面
“咖啡环”效应是一个与液滴蒸发密切相关的科学问题。自从1997年科学家发文阐述它的形成机理以来，“咖啡环”效应已受到国际社会广泛关注。它广泛存在于我们的日常生活和工农业生产中，在日常清洁、工业印染、喷墨打印、器件组装和芯片制造等方面均存在不同程度的不利影响。那么，咖啡环效应背后的成因究竟是怎样的呢？
咖啡环效应的成因
当一滴液体洒落在桌面后，随着时间的推移，液滴中的水会随之蒸发，在这过程中，受桌面与液体之间的固液界面和和液体与空气表面的气液界面的相互作用不同，导致液滴不同位置的水的蒸发速率不同，促使了咖啡环的形成。
咖啡环效应的成因示意图
在桌面或纸面与液滴之间的界面处，水的蒸发速率要比在液滴与空气之间的界面处水的蒸发快，如此一来，液滴中间的水分子就会携带溶质和颗粒来到液滴与桌面或纸面的边缘进行补充。最终水蒸发掉之后，溶质小颗粒们不断在边缘积累，就变成了“环”。
咖啡环效应转化应用
事实上，“咖啡环”效应不仅会出现在我们喝咖啡的时候，还时不时出现在我们的生活和工作中。一个典型的例子是喷墨打印。这项技术的基本原理是将微小的油墨液滴不断喷射到纸张或者其他媒介表面的指定位置，然后令液滴干燥。喷墨打印不仅被用来在纸上打印出高质量的图文，甚至还用在打印电子线路等功能性材料上，是一种在产业中非常重要的加工技术。显然，在喷墨打印过程中，如果液滴干燥后形成一个个圆环，将会严重降低所打印内容的分辨率，因此绝对不可以对咖啡环效应坐视不管。
为了解决这一问题，科学家们开始寻找液滴蒸发后如何形成均匀固体层的办法。后来他们发现，想要解决这一现象，需要改变悬浮颗粒的性质。科学家们发现不同的粒形以能够改变空气和液体交界面上的薄膜的性质，从而影响蒸发过程。
在同等条件下，椭圆形的颗粒会改变空气和液体的交界面，虽然目前这项研究还未完全成熟，但是科学家们仍然致力于通过改变悬浮颗粒形状去除“咖啡环效应”的研究。但这一发现，直接揭露了颗粒形状对蒸发的作用，有效指导人们改进印刷、绘画的方法。
科学家研究不同形状的微粒对蒸发的影响
除了改变悬浮颗粒的性质以外，科学家还想到通过换一种固体基底的方法来对付咖啡环效应。我们已经知道，咖啡环效应的起因是固体表面阻碍着液滴边缘在蒸发过程中的移动。而在不同的固体表面上，这种阻力也是有强有弱。如果液滴在阻力比较弱的固体表面干燥，自然就可以抑制咖啡环效应。
硫酸铜溶液的液滴在石墨表面（左）与石英玻璃表面（右）上的干燥过程
例如硫酸铜溶液在石墨表面干燥时会形成咖啡环结构，但如果改在石英玻璃表面干燥，就会形成均匀的圆斑。这是因为石英玻璃对液滴边缘后退的阻碍要弱得多，只是在刚开始收缩时阻挡了一下。在这种情况下，我们自然不必担心咖啡环效应出来捣乱。
由此看来，科学的奥秘正藏在我们生活中的各种细微现象中，等待着我们去探寻。下次如果遇到咖啡不小心滴落在桌上的情况，不妨慢点擦净，仔细观察一番咖啡环的形成过程。
参考文献
[1]Robert D. Deegan, OlgicaBakajin, Todd F. Dupont, Greb Huber, Sidney R. Nagel, Thomas A. Witten, “Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops”, Nature, 1997, 389, 827.
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[4]https://mp.weixin.qq.com/s/68H0Nf1U4DoD1Nnpb1oWng
[5]https://mp.weixin.qq.com/s/mnBuAkFUoEbw_S93FjeboA
[6]https://mp.weixin.qq.com/s/10a5CS5k84kevnzI1gVnWg
[7]https://mp.weixin.qq.com/s/KQ6A9uI3BIIpX_qXIcDPng
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