科學家揭開“咖啡環(huán)效應”之謎

Science 上的文章也不都是那么高深呀，學過滲透的，都能看懂個大概。

如何抑制“咖啡環(huán)效應”成了最近一期《自然》雜志的封面故事。

等等，什么叫做“咖啡環(huán)效應”？




現(xiàn)象背后暗藏玄機

一滴咖啡蒸發(fā)后，會在液滴的邊緣形成一個比中間區(qū)域顏色深得多的暗環(huán)，這種不均勻的沉積現(xiàn)象就是所謂的“咖啡環(huán)效應”。事實上，許多溶有固體小顆粒物質(zhì)的溶液，在液體蒸發(fā)后也會出現(xiàn)類似的情況。

別小看這個不起眼的現(xiàn)象，其不僅是一種令人好奇的效應，更是與眾多需要固體顆粒均勻沉積的應用都相關(guān)的特別現(xiàn)象，例如噴墨打印、光子元件組裝以及DNA（脫氧核糖核酸）芯片制造等都涉及其中。此外，對于“咖啡環(huán)效應”的研究，亦可以為生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應用提供幫助。

1997年，芝加哥大學的物理學家西德尼·納高和托馬斯·威騰等人在《自然》雜志上發(fā)表了關(guān)于“咖啡環(huán)效應”的論文，首次正式描述了這一現(xiàn)象，但他們主要聚焦在懸浮的球形顆粒。直到此次研究完成，懸浮顆粒形狀的作用才被揭示出來。

發(fā)表在8月18日出版的《自然》雜志上的研究報告，展示了賓夕法尼亞大學的物理學家團隊如何通過改變?nèi)芤褐械念w粒形狀，來破壞惱人的“咖啡環(huán)效應”。這一發(fā)現(xiàn)為實現(xiàn)均勻沉積固體顆粒層提供了新的途徑。

該校物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究實驗室的主任阿瓊·亞德以及博士研究生彼得·雅克和馬修·洛爾等主導了這項研究。雅克表示，“咖啡環(huán)效應”在日常生活中十分普遍。以滴落在桌面或是紙張上的溶液為例，當液滴蒸發(fā)時，其不會從圓周向內(nèi)一點一點收縮，而會直接變平。這個變平的動作將促使溶液內(nèi)的所有顆粒都懸浮起來，最終留在液滴邊緣。到溶液完全蒸發(fā)時，大多數(shù)顆粒都抵達了液滴的邊緣，并沉積在表面上，從而形成了一個深色的圓環(huán)。

改變形狀破解難題

為了避免這種現(xiàn)象，科學家都在竭盡全力尋找能在蒸發(fā)后生成均勻固體顆粒層的方法。殊不知，只需簡單改變懸浮顆粒的形狀，就能去除這種效應。研究人員表示，不同的粒形能夠改變空氣和液體交界面上的薄膜的性質(zhì)，這對蒸發(fā)過程可造成巨大影響。

科研人員在實驗中使用了大小一致的塑料顆粒。這些顆粒最初是球形的，但可以拉伸至離心率各異的橢圓顆粒。球形顆粒很容易從界面中分離出來，它們能輕易越過另一個同類顆粒，因為這種顆粒基本上不會改變空氣和液體的交界面。而橢圓顆粒則能引起交界面的起伏波動，并可由此引發(fā)橢圓顆粒之間強烈的吸引作用，抵消液滴蒸發(fā)時將球狀顆粒向液滴邊緣“驅(qū)趕”的動力。因此橢圓顆粒更容易被“卡住”，而“卡住”的顆粒能在蒸發(fā)過程中繼續(xù)沿液滴所在的表面流動，它們越來越多地阻礙了同類顆粒，造成了粒子“大塞車”，從而最終均勻覆蓋在液滴的表面。實驗數(shù)據(jù)表明，當球形顆粒的拉伸比達到20%時，顆粒就會一致地沉積在物體表面。

據(jù)美國物理學家組織網(wǎng)報道，在完成關(guān)于懸浮顆粒形狀的實驗后，研究人員又向液滴中添加了一種表面活性劑，以證明發(fā)生在溶液表面的相互作用就是“咖啡環(huán)效應”的幕后推手。他們同樣采用了球形顆粒和橢圓顆粒混合在一起的溶液。在含有表面活性劑的液滴中，橢圓顆粒的“咖啡圈效應”可以恢復，而“設(shè)計”出的球狀顆粒和橢圓顆粒的混合物亦能均勻沉積。但通過改變懸浮顆粒形狀去除“咖啡環(huán)效應”的效果還不很穩(wěn)定，研究人員未來還需付出更多的努力進行改進。

雅克表示，理解顆粒形狀在液滴變干的過程中所起的作用，有助于人們改進在印刷和繪畫等領(lǐng)域的應用。同時，這一規(guī)律也適用于生物和醫(yī)療環(huán)境。抑制的“咖啡環(huán)效應”也可以與生物傳感技術(shù)結(jié)合，用于檢測唾液、血液等體液中的生物標志物，從而進行醫(yī)學診斷。之前，加州大學洛杉磯分校的科研團隊曾試圖通過縮小液滴尺寸的方法消除“咖啡環(huán)效應”，而此項研究的成功將進一步促進人們對于這種效應的思考，在探尋解決途徑的道路上永不停息。（來源：科技日報 張巍巍）

有趣的科普，謝謝！

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