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咖啡渍为何总是边缘深内部浅?背后竟然藏着一个有趣的科学奥秘
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生活中,每个人都会有不慎打翻咖啡、茶水、饮料的经历,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——如果不小心打翻,或者是将咖啡滴落到桌面上,等它干燥之后,形成的污渍会是一个外围深色,内部浅色的环。


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不同于透明的纯净水,咖啡和茶水这类的冲泡饮品,在某种意义上都可以归为溶液一类(严格来说是溶液和悬浊液的混合物),溶解在水中的物质直观地显现出其颜色。

以大家常喝的咖啡为例,它的深褐色就来自于咖啡豆经过烘焙、萃取后的炭黑色物质,在咖啡冲泡之后,这些物质就变成了悬浮在液体中的若干小颗粒。我们不小心滴到衣服上或者桌面上的咖啡渍、茶渍就是如此。

虽然知道了这些污渍的颜色是小颗粒造成的,那么又是什么让这些小颗粒最终变成了一个环呢?


01

人们是如何认识咖啡环效应的

对于大部分普通人而言,咖啡环效应不过是生活中一个偶然现象。但在物理学家的眼里,这背后大有玄机。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。


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02
什么造成了“咖啡环效应”

咖啡环效应虽以咖啡命名,但广义来说,应该是“溶液”在固体表面蒸发时发生的一种现象。


而以咖啡圆环为代表的、可观察到的有色圆环的形成过程也是较为直观的:当溶液滴落在桌面或是纸张上时,液滴蒸发并不会形成等比例渐渐缩小的圆圈而是形成外侧溶质颗粒多,内测溶质颗粒少的圆环形状。


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 图片来源:化工仪器网


这是因为液滴中的水在蒸发时,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。

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”。


03

小发现背后的大运用


咖啡环效应也不仅是生活中一个有意思的小现象,它的出现实际上也为人们的生产生活带来一些烦人的困扰,如打印机喷墨不均匀也是“咖啡环效应”的显现。

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。

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科学家研究不同形状的微粒对蒸发的影响
来源 | 《Control of Droplet Evaporation on Oil-Coated Surfaces for the Synthesis of》

除此之外,咖啡环效应还在生物和医疗领域“闪闪发光”,在医学诊断上,科学家们将“咖啡环效应”与生物传感技术结合,用于检测唾液、血液等体液中的生物标志物。美国范德比尔特大学的研究人员就在此基础上开发了一种快速检测疟疾的方法。

作为一种烈性传染病,如何快速查出疟疾是防治传染扩散的重要手段。在这种检测方法中,研究人员在待测液体中添加三种颗粒(可发出红色荧光、可发出绿色荧光、具有磁性却无法发出荧光)。当含有这三种颗粒的水滴在磁场作用下干燥时,两种可以发出荧光的颗粒就会聚集在液滴边缘,呈现绿光和红光相叠而成的黄色圆环。

磁性颗粒会和病原体疟原虫分泌的一种特殊蛋白质发生化学反应,并与绿色荧光颗粒相连,两种有色颗粒都会留下,呈现红色圆环➕绿色圆斑,通过颜色和形状的判定,最为直观地展现是否存在疟原虫感染的情况。

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图片来源:《科学世界》


不仅如此,咖啡环效应还让人们关注到可以按照颗粒尺寸的不同分离出同一种溶液中的多种溶质,如集中在咖啡环的最外侧的颗粒直径最小,咖啡环的内侧的直径更大,利用这一原理实现物质的分离。

牛顿被苹果砸到头,继而开始关注万有引力;或许科学的奥秘也正藏在生活中这些细微的现象中等人探寻。下次你喝咖啡的时候,若是再有咖啡不小心滴到桌面上,不妨不紧不慢地擦干净,并畅想一番咖啡环效应的新应用。


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