小小咖啡漬背后竟暗藏玄機(jī)
來源：科技日報 發(fā)布時間：2022-10-28 10:19:46
【長知識】在日常生活中，或許每個人都會有不小心將咖啡滴落到桌面上的經(jīng)歷，但不知道你是否注意到這樣一個神奇的現(xiàn)象：如果不將滴落到桌面上的咖啡及時擦去，等它干燥之后，桌面上形成的污漬就是一個外圍深色、內(nèi)部淺色的環(huán)。
這一現(xiàn)象被稱為咖啡環(huán)效應(yīng)。
不同于純凈水，從某種意義上來說，咖啡和茶這類的沖泡飲品，都可以被歸為溶液（嚴(yán)格來說是溶液和懸濁液的混合物）。
咖啡的深褐色來自咖啡豆經(jīng)過烘焙、萃取后的炭黑色物質(zhì)，在咖啡被沖泡之后，這些物質(zhì)就變成了懸浮在液體中的若干個小顆粒。我們不小心滴到衣服上或者桌面上的咖啡漬的顏色就是由小顆粒造成的。
對于大部分普通人而言，咖啡環(huán)效應(yīng)不過是日常生活中的一個偶然現(xiàn)象，但是在物理學(xué)家們的眼里，這背后卻大有玄機(jī)。
蒸發(fā)速率不同導(dǎo)致咖啡環(huán)出現(xiàn)
咖啡環(huán)效應(yīng)雖然以咖啡命名，但是從廣義上來說，應(yīng)該是溶液在固體表面蒸發(fā)時發(fā)生的一種科學(xué)現(xiàn)象。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，液滴蒸發(fā)并不會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，而內(nèi)側(cè)溶質(zhì)顆粒少的圓環(huán)形狀。
這是因為液滴中的水在蒸發(fā)時，桌面與液體之間的固液界面和液體與空氣表面的氣液界面的相互作用，導(dǎo)致處在液滴不同位置的水的蒸發(fā)速率不一致，進(jìn)而促使了咖啡環(huán)的形成。
在桌面或紙面與液滴之間的交界處，水的蒸發(fā)速率要比在液滴與空氣之間的交界處的蒸發(fā)速率快。
如此一來，液滴中間的水分子就會攜帶溶質(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，在水蒸發(fā)掉之后，溶質(zhì)小顆粒們不斷在邊緣積累，就慢慢變成了我們所看到的環(huán)。
1997年，芝加哥大學(xué)的物理學(xué)家西德尼·納高和托馬斯·威騰等研究人員就在國際權(quán)威期刊《自然》雜志上發(fā)表了關(guān)于咖啡環(huán)效應(yīng)的學(xué)術(shù)論文。在這篇文章中，咖啡環(huán)效應(yīng)第一次被正式描述出來。從那以后，關(guān)于如何破除咖啡環(huán)效應(yīng)的科學(xué)研究成果也不斷顯現(xiàn)。
小發(fā)現(xiàn)背后有大應(yīng)用
咖啡環(huán)效應(yīng)不僅是生活中一個有意思的小現(xiàn)象，它的出現(xiàn)實際上也給人們?nèi)粘５纳a(chǎn)、生活帶來了一些困擾和麻煩，比如打印機(jī)噴墨不均勻就是由咖啡環(huán)效應(yīng)造成的。
為了解決這些難題，研究人員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，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，想要解決這一問題，就需要改變懸浮顆粒的性質(zhì)。研究者們發(fā)現(xiàn)，不同的顆粒形狀能夠改變空氣和液體交界面上的薄膜的性質(zhì)，從而影響這些物質(zhì)的蒸發(fā)過程。
在同等條件下，橢圓形的顆粒會改變空氣和液體的交界面。這一研究發(fā)現(xiàn)，直接揭露了顆粒形狀對蒸發(fā)的作用，進(jìn)而有效地指導(dǎo)人們改進(jìn)印刷、繪畫的方法。
除此之外，咖啡環(huán)效應(yīng)還在生物領(lǐng)域“閃閃發(fā)光”。在診斷學(xué)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)的研究人員就在此研究基礎(chǔ)上創(chuàng)造出了一種快速檢測瘧疾的生物學(xué)方法。
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)。
舉例來說，集中在咖啡環(huán)最外側(cè)的顆粒直徑最小，集中在咖啡環(huán)內(nèi)側(cè)的顆粒直徑更為大些，科學(xué)家們利用這一原理實現(xiàn)了相關(guān)物質(zhì)的分離。
英國著名的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家牛頓在被蘋果砸到頭后，開始關(guān)注萬有引力,進(jìn)而影響了之后數(shù)年物理學(xué)的發(fā)展，或許科學(xué)的奧秘就藏在日常生活中一些細(xì)微的現(xiàn)象中，等待人們?nèi)ヌ綄ぁ?/p>
你下次在喝咖啡的時候，若是不小心將咖啡滴到桌面上，不妨不緊不慢地將它們擦干凈，同時暢想一番有關(guān)咖啡環(huán)效應(yīng)的新應(yīng)用。
?。▉碓矗簲?shù)字北京科學(xué)中心）
責(zé)任編輯：邢敏
