咖啡圈效应

咖啡圈效应Coffee-ring Effect),又译咖啡环效应,指当滴状液体在固体表面蒸发后,出现由内至外颜色逐渐加深的环圈的一种现象。最明显的例子是咖啡喷溅在桌布上干燥后留下的圆形痕迹。

流动机制

芝加哥大学的研究团队在 1997 年于《自然》发表论文,表明咖啡圈的出现是由于毛细现象固定了液滴的边界,而接近边缘蒸发的液体必须由内部的液体补充,因而形成由内部流向边缘的液体流。这样造成的流动几乎可以把所有的溶质带到边缘[1]

Hu 和 Larson 于随后的研究发现,蒸发效应在液滴内部会引发马伦哥尼流。这样的流动如果过于强烈,实际上会把溶质粒子重新分配到液滴中心。因此如果要让粒子累积在边缘,液体中的马伦哥尼流必须很弱[2]。例如添加界面活性剂可以减少液体的表面张力梯度,并以此来减少流动的发生。Hu 和 Larson 也提到,水本身的马伦哥尼流就相当微弱,在水中添加的界面活性剂更进一步削弱了马伦哥尼流。

宾夕法尼亚大学研究小组认为[3],若固体表面的滴状液体内部悬浮着许多微粒物质(例如:咖啡滴),在液滴蒸发过程中,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。Yunker等人还提出了减少咖啡圈效应的方法,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。

参考

  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. PMID 16599468. doi:10.1021/jp0609232. 
  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 [2011-10-22]. (原始内容存档于2011-10-10).