科学家揭开“咖啡环效应”之谜
作者：Peter J. Yunker 来源：《自然》 发布时间：2011-9-2
如何抑制“咖啡环效应”成了最近一期《自然》杂志的封面故事。
等等，什么叫做“咖啡环效应”？
现象背后暗藏玄机
一滴咖啡蒸发后，会在液滴的边缘形成一个比中间区域颜色深得多的暗环，这种不均匀的沉积现象就是所谓的“咖啡环效应”。事实上，许多溶有固体小颗粒物质的溶液，在液体蒸发后也会出现类似的情况。
别小看这个不起眼的现象，其不仅是一种令人好奇的效应，更是与众多需要固体颗粒均匀沉积的应用都相关的特别现象，例如喷墨打印、光子元件组装以及DNA（脱氧核糖核酸）芯片制造等都涉及其中。此外，对于“咖啡环效应”的研究，亦可以为生物医疗等领域的应用提供帮助。
1997年，芝加哥大学的物理学家西德尼·纳高和托马斯·威腾等人在《自然》杂志上发表了关于“咖啡环效应”的论文，首次正式描述了这一现象，但他们主要聚焦在悬浮的球形颗粒。直到此次研究完成，悬浮颗粒形状的作用才被揭示出来。
发表在8月18日出版的《自然》杂志上的研究报告，展示了宾夕法尼亚大学的物理学家团队如何通过改变溶液中的颗粒形状，来破坏恼人的“咖啡环效应”。这一发现为实现均匀沉积固体颗粒层提供了新的途径。
该校物质结构研究实验室的主任阿琼·亚德以及博士研究生彼得·雅克和马修·洛尔等主导了这项研究。雅克表示，“咖啡环效应”在日常生活中十分普遍。以滴落在桌面或是纸张上的溶液为例，当液滴蒸发时，其不会从圆周向内一点一点收缩，而会直接变平。这个变平的动作将促使溶液内的所有颗粒都悬浮起来，最终留在液滴边缘。到溶液完全蒸发时，大多数颗粒都抵达了液滴的边缘，并沉积在表面上，从而形成了一个深色的圆环。
改变形状破解难题
为了避免这种现象，科学家都在竭尽全力寻找能在蒸发后生成均匀固体颗粒层的方法。殊不知，只需简单改变悬浮颗粒的形状，就能去除这种效应。研究人员表示，不同的粒形能够改变空气和液体交界面上的薄膜的性质，这对蒸发过程可造成巨大影响。
科研人员在实验中使用了大小一致的塑料颗粒。这些颗粒最初是球形的，但可以拉伸至离心率各异的椭圆颗粒。球形颗粒很容易从界面中分离出来，它们能轻易越过另一个同类颗粒，因为这种颗粒基本上不会改变空气和液体的交界面。而椭圆颗粒则能引起交界面的起伏波动，并可由此引发椭圆颗粒之间强烈的吸引作用，抵消液滴蒸发时将球状颗粒向液滴边缘“驱赶”的动力。因此椭圆颗粒更容易被“卡住”，而“卡住”的颗粒能在蒸发过程中继续沿液滴所在的表面流动，它们越来越多地阻碍了同类颗粒，造成了粒子“大塞车”，从而最终均匀覆盖在液滴的表面。实验数据表明，当球形颗粒的拉伸比达到20%时，颗粒就会一致地沉积在物体表面。
据美国物理学家组织网报道，在完成关于悬浮颗粒形状的实验后，研究人员又向液滴中添加了一种表面活性剂，以证明发生在溶液表面的相互作用就是“咖啡环效应”的幕后推手。他们同样采用了球形颗粒和椭圆颗粒混合在一起的溶液。在含有表面活性剂的液滴中，椭圆颗粒的“咖啡圈效应”可以恢复，而“设计”出的球状颗粒和椭圆颗粒的混合物亦能均匀沉积。但通过改变悬浮颗粒形状去除“咖啡环效应”的效果还不很稳定，研究人员未来还需付出更多的努力进行改进。
雅克表示，理解颗粒形状在液滴变干的过程中所起的作用，有助于人们改进在印刷和绘画等领域的应用。同时，这一规律也适用于生物和医疗环境。抑制的“咖啡环效应”也可以与生物传感技术结合，用于检测唾液、血液等体液中的生物标志物，从而进行医学诊断。之前，加州大学洛杉矶分校的科研团队曾试图通过缩小液滴尺寸的方法消除“咖啡环效应”，而此项研究的成功将进一步促进人们对于这种效应的思考，在探寻解决途径的道路上永不停息。（来源：科技日报 张巍巍）
http://paper.sciencenet.cn//htmlpaper/201192959072719114.shtm
