賓州大學物理學家揭開“咖啡環”效應之謎
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- 時間:2011/8/21 10:21:39 來源:騰訊科技
[導讀]賓夕法尼亞大學物理學家揭開了“咖啡環”效應，主要原因是液漬顆粒外形的影響以及流動方向的問題。
騰訊科技訊（Everett/編譯）據國外媒體報道，當一滴咖啡或者茶滴落桌面時，其顆粒物質就會在桌面上留下一個被染色的環狀物，而且環狀物的顏色卻是不均勻的，邊緣部分要比中間更深一些，這就是咖啡環效應。賓夕法尼亞大學的物理學家最近表示，當由于某些液體滴濺到桌面上而留下環形染色漬，可以通過改變顆粒的形狀以達到去除的目的。但是，如果改變了顆粒的形狀，咖啡漬跡的行為就會出現變化。圖中片狀顆粒（藍色）相比較整個測試區域而言，并沒有表現出咖啡環效應，則是出現了一個均勻的暗色污點（右下方）。相關的研究論文發表在8月18日的《自然》雜志上。
放大倍數下咖啡漬中的顆粒
同時，賓夕法尼亞大學的物理學家研究小組也展示如何通過改變粒子形狀而破壞“咖啡環效應”環狀染色顆粒，這些顆粒則是在咖啡滴蒸發了之后留下的。這個發現的意義是：為工程師提供了一種在涂料研究領域的新工具。該項研究是由賓夕法尼亞大學藝術與科學學院物理和天文系的物質結構研究實驗室主任阿瓊（Arjun Yodh）教授，博士生彼得（Peter Yunker）以及馬修（Matthew Lohr），博士后研究員蒂姆（Tim Still）共同合作完成。實驗的操作員為賓夕法尼亞大學研究員弗里斯（Felice Macera）。
在我們日常生活中，液體滴濺到桌面上的情況是很普遍的，因此，咖啡環的效應如果認真去觀察也很常見。但是，在如何避免咖啡環產生的問題上，科學家此前曾往涂層以及油墨方面研究，而目前的這個實驗表明，我們其實可以改變顆粒的形態就可以將其消除，這就是從顆粒的本質上著手，達到消除的效果。
例如，當一滴液體（水）滴濺出來，落到了桌子或者一張紙上，往往會在紙張或者桌面上留下漬跡，看上去像是被“固定”到了這些表面上。而接下來的情況就不言而喻了，這些漬點隨著液體的蒸發而被留了下來，而外面一圈的環狀漬圈并不會消失，會在桌面或者紙張上留下痕跡。研究人員同時也對顆粒的形狀在多大程度上影響了失水的過程。這是因為，不同形狀的粒子，在各自的空氣-水界面層上具有變化的性質，這些不同的性質最后就會導致不同的結果。
在1997年的時候，芝加哥大學的物理學家西德尼納格爾（Sidney Nagel）、托馬斯威滕（Thomas Witten）和他們的同事曾完成了一篇論文，主要是關于被留在桌面或者紙張上的球形顆粒。但是，直到賓夕法尼亞大學Yodh教授的研究團隊進行了本項試驗才使得這些顆粒在咖啡環效應中所扮演的重要作用得到了體現。而Yodh研究團隊在試驗中使用到的塑料顆粒的大小是均勻的，這些塑料顆粒同時也呈球形，并且賦予其不同程度的偏心率，以確保試驗測試中處于失水的狀態。
球形顆粒很容易脫離界面，這是由于他們的流動性較強，并且由于他們的球形的，所以在顆粒表面空氣-水界面層上的變化幅度并不是很大。而如果是橢球性的顆粒，則它們在空氣-水界面層上就具有較大幅度的波動。因此，對于為什么在液滴周圍會出現環狀液漬分布就顯而易見了，這是因為這些橢球形的顆粒在物體表面上并不太容易流動，然而在液體蒸發的過程中，這些橢球形的顆粒在蒸發推動下，會往液漬的外層運動，這樣越蒸發，液態越少，橢球形的顆粒運動就會造成堵塞，逐漸就形成了留在桌子或者紙張表面上的環狀液漬。
而一旦將球形顆粒的形狀改變了大約20%，液滴中顆粒沉積的大小就基本統一了。同時，研究人員還試驗了一種表面活性劑，基本上可以認為就是肥皂，而添加其的目的就是為了觀察界面層中存在的相互作用產生了何種效果。由于添加了表面活性劑，使得表面張力出現了下降，橢球形的顆粒就不會出現不易流動的情況了，很自由地流動到環的邊緣。
此外，研究人員還試驗了由球形顆粒和橢球形顆粒的混合物，觀察顆粒的流動性是否受到相互影響。這樣的試驗對照是很有意義的，如果我們能確認球形顆粒與橢球形顆粒之間存在相互影響，那我們只要撒上具有橢球形顆粒的物質就可以影響咖啡環效應了。但是，實驗結果卻是時而可行，時而不可行。這項實驗的研究目的就是為了了解顆粒形狀是否影響失水過程，這項技術可以用于印刷或者繪畫領域，而且在許多涂料以及危險化學品方面也同樣適用。
