咖啡环效应究竟是怎么回事?——奇妙的咖啡环效应(上)

魏昕宇 2019-07-1120:58:49来源:科学世界 评论 2,351 views

在生活中,你一定见过咖啡或者茶水等带颜色的饮料泼洒在桌子或地面上形成的污渍吧。你是否注意到,这些污渍颜色最深的地方,是在边缘部分呢?如今,科学家不仅弄清楚了环形污渍的成因,而且已经能够消除它,甚至巧妙地利用这种奇妙的机制。

咖啡是世界上最为流行的饮料之一。每天早餐后喝一杯咖啡,或者在工作间隙和同事一起喝咖啡聊天,已经成为许多人生活的一部分。不过,如果在享用咖啡时不小心洒落到书桌、餐具或者地面上,一定要记得及时清理,否则用不了多久,就会看到一块块深色的污渍。

咖啡环效应究竟是怎么回事?——奇妙的咖啡环效应(上)

不过,如果仔细观察咖啡带来的这些污渍,会发现其中的深色部分并非均匀分布成一个圆斑;相反,它们主要集中在曾经被液滴覆盖区域的边缘,而中心的颜色则很浅,让污渍看上去像是一个圆环(下图)。这就是著名的“咖啡环效应”。?

为什么咖啡液滴干燥后留下的污渍看上去像是一个个环呢?

由于咖啡的组成复杂,或许你会猜测,这是其中某种特殊化学物质作用的结果。然而事实上并非如此,大量的观察表明,只要易挥发的液体中有固体微粒悬浮,或者溶解了难以挥发的物质,那么当液滴挥发完毕后,残留下的固体都有可能形成类似的环状结构。咖啡环效应虽然得名于咖啡,其实却是一种相当普遍的现象,它的“幕后推手”究竟是谁呢?

当一滴水落在固体表面的一刹那,有几种力量就开始互相较劲。第一种力量是重力。俗话说,人往高处走,水往低处流。这句话形象地道出了重力对液体的作用。在这里,“低处流”的结果是液滴会在固体表面流动铺展开。然而,当液滴足够小时,重力的影响就微乎其微了。真正决定液滴命运的是另外两种力量:首先是水分子之间的相互吸引,它会让水滴趋于保持球形;其次是水分子与固体表面分子之间的相互吸引,它的作用恰好相反,会使水滴趋于在固体表面铺展开来。水分子之间相互吸引的力量是固定的,但不同固体表面与水分子间的吸引作用可以有很大的差别。如果吸引作用很弱,那水滴就会保持原样,就像荷叶上的水珠一样,这种固体表面被称作超疏水表面。要是吸引作用很强,那么水滴将不复存在,取而代之的将是一层薄薄的水膜,这种固体表面被称作超亲水表面。但对日常生活中的绝大多数固体表面而言,这两种力量相差并没有那么悬殊,于是水滴便会在固体表面铺展一定程度,成为一个球冠。

水分的蒸发会导致水滴的体积不断缩小。由于在水滴的边缘,表面积与体积之比更大,单位体积的水分蒸发的速度更快。因此理论上,我们应该看到水滴的边缘逐渐向中心收缩,液面逐渐变小直到彻底消失。那么,水中溶有的难挥发物质或者悬浮的固体颗粒,例如咖啡中的咖啡因、绿原酸、矿物质、碳水化合物、蛋白质、蛋白黑素(咖啡豆烘烤过程中糖和氨基酸反应形成的高分子化合物)等物质,由于无法随水分一起蒸发,那在液滴干燥后,理应剩下一个颜色大致均匀乃至中间略深的圆斑。

然而,实际上当水滴的边缘开始退却时,会有一只“大手”有力地顶在它的身后,发出明确的信号:“不准后退,必须顶住”。这就是由于固体表面粗糙不平的结构或者化学成分不均一而造成的额外的摩擦阻力。面对这一要求,水滴“面露难色”:“不让后退可以,但边缘的弟兄们在不断地流失,总得补充上去。”解决这个问题并不困难:既然液滴中心总是比边缘厚,那当边缘的水分蒸发时,一部分水分子就会从中心流向边缘。这样一来,水滴的干燥过程就变得和之前的预想迥然不同:尽管其体积随着水分挥发而不断减小,但液面的直径却可以在相当长时间里,乃至几乎彻底干燥前都大致保持不变。

如果这滴水中含有难以挥发的分子或固体颗粒,那么这些物质就会随着水流不断从液滴中心流向边缘。当水分蒸发时,这些分子或固体颗粒就留在了液滴边缘。这样一来,水滴边缘处析出的固体就会越积越多,而留在中心的分子或固体颗粒则越来越少。当水滴完全干燥时,自然就会看到一个环形的结构(下图)。不难看出,咖啡环效应是液体与固体表面相互博弈的结果。

咖啡环效应究竟是怎么回事?——奇妙的咖啡环效应(上)

咖啡环效应的成因示意图

有趣的是,咖啡环效应这种相当普遍且成因并不复杂的现象,却直到1997年才由来自美国芝加哥大学的科学家们首次给出系统的解释。不过俗话说得好,是金子总会发光,咖啡环效应虽然被忽视了很久,但并不妨碍如今成为研究的热点。有的朋友可能会问,既然咖啡环效应的成因已经弄清楚了,那为什么还需要更多的后续研究呢?这是因为,在有些时候我们需要阻止咖啡环效应,而另外一些情况下又需要利用它。

后续内容,请阅读《“咖啡环效应”,如何应对?——奇妙的咖啡环效应(下)

(原载《科学世界》2018年第6期)

主要参考文献:

[1] Robert D. Deegan, OlgicaBakajin, Todd F. Dupont, Greb Huber, Sidney R. Nagel, Thomas A. Witten, “Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops”, Nature, 1997, 389, 827

[2] Robert D. Deegan, OlgicaBakajin, Todd F. Dupont, Greg Huber, Sidney R. Nagel, Thomas A. Witten, “Contact line deposits in an evaporating drop”, Physical Review E, 2000, 62, 756

[3] Ronald G. Larson, “Twenty years of drying droplets”, Nature, 2017, 550, 466

魏昕宇

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