咖啡圈效应

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咖啡圈效应Coffee-ring Effect),又譯咖啡環效應,指当滴状液体在固体表面风干后,出现由内至外颜色逐渐加深环圈的一种現象。最明顯的例子是咖啡溅落在桌布上风干后留下的圆形痕跡。

流動機制[编辑]

芝加哥大學的研究團隊在 1997 年於自然發表,咖啡圈的出現是由於毛細現象固定了液滴的邊界,而接近邊緣蒸發的液體必須由內部的液體補充,因而形成由內部流向邊緣的液體流。這樣造成的流動幾乎可以把所有的溶質帶到邊緣[1]

Hu 和 Larson 於隨後的研究發現,蒸發效應在液滴內部會引發馬倫哥尼流。這樣的流動如果過於強烈,實際上會把溶質粒子重新分配到液滴中心。因此如果要讓粒子累積在邊緣,液體中的馬倫哥尼流必須很弱[2]。例如添加界面活性劑可以減少液體的表面張力梯度,來減少引發的流動。Hu 和 Larson 也提到,水本身的馬倫哥尼流就相當微弱,而加入的自然介面活性劑更加削弱了它。

宾夕法尼亚大学研究小组认为[3],若固体表面的滴状液体(咖啡滴)内部悬浮着许多微粒物质,在液滴蒸发(风干)过程中,液滴并不是一圈一圈地慢慢削小,而是慢慢扁平。正是这样的"扁平渗流"推动了液滴中的微粒物质(咖啡)不断地向边缘聚集,当液滴被全部蒸发干之后更多的微粒留在边缘区域,形成了一个圆圈,也就出现了咖啡圈效应[4]。P.J. Yunker还展现了消除咖啡圈效应的方法,例如将悬浮微粒的形状改为椭圆形后,而不是传统的圆形,微粒更能抵抗扁平渗流的作用, 因此椭圆微粒能留下更平整均匀的印记[5]

参考[编辑]

  1. ^ R. D. Deegan; O. Bakajin; T. F. Dupont; G. Huber; S. R. Nagel; T. A. Witten. Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops. Nature. 1997, 389 (6653): 827–829. Bibcode:1997Natur.389..827D. doi:10.1038/39827. 
  2. ^ Hua Hu; Ronald Larson. Marangoni Effect Reverses Coffee-Ring Depositions. Journal of Physical Chemistry B. 2006, 110 (14): 7090–7094. doi:10.1021/jp0609232. PMID 16599468. 
  3. ^ Peter J. Yunker, Tim Still, Matthew A. Lohr & A. G. Yodh. Suppression of the coffee-ring effect by shape-dependent capillary interactions. Nature. 2011-08-18, 476. 
  4. ^ Penn Physicists Conquer the ‘Coffee Ring Effect'. PENN. [2011-10-22]. 
  5. ^ 汪吟帆. 咖啡因效应. 新发现 Science&Vie. 2011, 73 (10): 15.