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生活中，每個(ge) 人都會(hui) 有不慎打翻咖啡、茶水、飲料的經曆，在手忙腳亂(luan) 的同時，不知道你是否注意到這樣一個(ge) 神奇的現象——如果不小心打翻，或者是將咖啡滴落到桌麵上，等它幹燥之後，形成的汙漬會(hui) 是一個(ge) 外圍深色，內(nei) 部淺色的環。

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不同於(yu) 透明的純淨水，咖啡和茶水這類的衝(chong) 泡飲品，在某種意義(yi) 上都可以歸為(wei) 溶液一類（嚴(yan) 格來說是溶液和懸濁液的混合物），溶解在水中的物質直觀地顯現出其顏色。

以大家常喝的咖啡為(wei) 例，它的深褐色就來自於(yu) 咖啡豆經過烘焙、萃取後的炭黑色物質，在咖啡衝(chong) 泡之後，這些物質就變成了懸浮在液體(ti) 中的若幹小顆粒。我們(men) 不小心滴到衣服上或者桌麵上的咖啡漬、茶漬就是如此。

雖然知道了這些汙漬的顏色是小顆粒造成的，那麽(me) 又是什麽(me) 讓這些小顆粒最終變成了一個(ge) 環呢？

01

人們(men) 是如何認識咖啡環效應的

對於(yu) 大部分普通人而言，咖啡環效應不過是生活中一個(ge) 偶然現象。但在物理學家的眼裏，這背後大有玄機。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》雜誌上發表了關(guan) 於(yu) “咖啡環效應”的論文。

在這篇文章中，咖啡環效應第一次被正式描述，但這篇論文的重點還是集中在懸浮的球形顆粒。後來，伴隨著同類研究的不斷深入，人們(men) 才逐漸了解到懸浮顆粒形狀的作用。

繼而，關(guan) 於(yu) 如何破除“咖啡環效應”的研究成果也不斷顯現。如賓夕法尼亞(ya) 大學的物理學家團隊就寄希望於(yu) 改變溶液中的顆粒形狀，來破壞咖啡環效應，尋找實現均勻沉積固體(ti) 顆粒層的新方法。

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02

什麽(me) 造成了“咖啡環效應”

咖啡環效應雖以咖啡命名，但廣義(yi) 來說，應該是“溶液”在固體(ti) 表麵蒸發時發生的一種現象。

而以咖啡圓環為(wei) 代表的、可觀察到的有色圓環的形成過程也是較為(wei) 直觀的：當溶液滴落在桌麵或是紙張上時，液滴蒸發並不會(hui) 形成等比例漸漸縮小的圓圈而是形成外側(ce) 溶質顆粒多，內(nei) 測溶質顆粒少的圓環形狀。

圖片來源：化工儀(yi) 器網

這是因為(wei) 液滴中的水在蒸發時，受桌麵與(yu) 液體(ti) 之間的固液界麵和和液體(ti) 與(yu) 空氣表麵的氣液界麵的相互作用不同，導致液滴不同位置的水的蒸發速率不同，促使了咖啡環的形成。

在桌麵或紙麵與(yu) 液滴之間的界麵處，水的蒸發速率要比在液滴與(yu) 空氣之間的界麵處水的蒸發快，如此一來，液滴中間的水分子就會(hui) 攜帶溶質和顆粒來到液滴與(yu) 桌麵或紙麵的邊緣進行補充。最終水蒸發掉之後，溶質小顆粒們(men) 不斷在邊緣積累，就變成了“環”。

03

小發現背後的大運用

咖啡環效應也不僅(jin) 是生活中一個(ge) 有意思的小現象，它的出現實際上也為(wei) 人們(men) 的生產(chan) 生活帶來一些煩人的困擾，如打印機噴墨不均勻也是“咖啡環效應”的顯現。

為(wei) 了解決(jue) 這一問題，科學家們(men) 開始尋找液滴蒸發後如何形成均勻固體(ti) 層的辦法。後來他們(men) 發現，想要解決(jue) 這一現象，需要改變懸浮顆粒的性質。科學家們(men) 發現不同的粒形以能夠改變空氣和液體(ti) 交界麵上的薄膜的性質，從(cong) 而影響蒸發過程。

在同等條件下，橢圓形的顆粒會(hui) 改變空氣和液體(ti) 的交界麵，雖然目前這項研究還未完全成熟，但是科學家們(men) 仍然致力於(yu) 通過改變懸浮顆粒形狀去除“咖啡環效應”的研究。但這一發現，直接揭露了顆粒形狀對蒸發的作用，有效指導人們(men) 改進印刷、繪畫的方法。

科學家研究不同形狀的微粒對蒸發的影響

來源 | 《Control of Droplet Evaporation on Oil-Coated Surfaces for the Synthesis of》

除此之外，咖啡環效應還在生物和醫療領域“閃閃發光”，在醫學診斷上，科學家們(men) 將“咖啡環效應”與(yu) 生物傳(chuan) 感技術結合，用於(yu) 檢測唾液、血液等體(ti) 液中的生物標誌物。美國範德比爾特大學的研究人員就在此基礎上開發了一種快速檢測瘧疾的方法。

作為(wei) 一種烈性傳(chuan) 染病，如何快速查出瘧疾是防治傳(chuan) 染擴散的重要手段。在這種檢測方法中，研究人員在待測液體(ti) 中添加三種顆粒（可發出紅色熒光、可發出綠色熒光、具有磁性卻無法發出熒光）。當含有這三種顆粒的水滴在磁場作用下幹燥時，兩(liang) 種可以發出熒光的顆粒就會(hui) 聚集在液滴邊緣，呈現綠光和紅光相疊而成的黃色圓環。

磁性顆粒會(hui) 和病原體(ti) 瘧原蟲分泌的一種特殊蛋白質發生化學反應，並與(yu) 綠色熒光顆粒相連，兩(liang) 種有色顆粒都會(hui) 留下，呈現紅色圓環＋綠色圓斑，通過顏色和形狀的判定，最為(wei) 直觀地展現是否存在瘧原蟲感染的情況。

圖片來源：《科學世界》

不僅(jin) 如此，咖啡環效應還讓人們(men) 關(guan) 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，如集中在咖啡環的最外側(ce) 的顆粒直徑最小，咖啡環的內(nei) 側(ce) 的直徑更大，利用這一原理實現物質的分離。

牛頓被蘋果砸到頭，繼而開始關(guan) 注萬(wan) 有引力；或許科學的奧秘也正藏在生活中這些細微的現象中等人探尋。下次你喝咖啡的時候，若是再有咖啡不小心滴到桌麵上，不妨不緊不慢地擦幹淨，並暢想一番咖啡環效應的新應用。

審核｜苗光耀 凝聚態物理博士

來源：數字北京科學中心

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