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咖啡圈效应

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咖啡圈效应Coffee-ring Effect),又譯咖啡環效應,指当滴状液体在固体表面蒸發后,出现由内至外颜色逐渐加深的环圈的一种現象。最明顯的例子是咖啡噴濺在桌布上乾燥后留下的圆形痕跡。

流動機制

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芝加哥大學的研究團隊在 1997 年於《自然》發表论文,表明咖啡圈的出現是由於毛細現象固定了液滴的邊界,而接近邊緣蒸發的液體必須由內部的液體補充,因而形成由內部流向邊緣的液體流。這樣造成的流動幾乎可以把所有的溶質帶到邊緣[1]

Hu 和 Larson 於隨後的研究發現,蒸發效應在液滴內部會引發馬倫哥尼流。這樣的流動如果過於強烈,實際上會把溶質粒子重新分配到液滴中心。因此如果要讓粒子累積在邊緣,液體中的馬倫哥尼流必須很弱[2]。例如添加界面活性劑可以減少液體的表面張力梯度,并以此来減少流動的發生。Hu 和 Larson 也提到,水本身的馬倫哥尼流就相當微弱,在水中添加的介面活性劑更進一步削弱了馬倫哥尼流。

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等人還提出了減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

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  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).