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风干后,出现由内至外颜色逐渐加深环圈的一种現象。最明顯的例子是咖啡溅落在桌布上风干后留下的 圆形 痕跡。

流動機制

芝加哥大學的研究團隊在 1997 年於自然發表,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。

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。例如添加 界面活性劑 可以減少液體的表面張力梯度,來減少引發的流動。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,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(风干)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等人还展现了消除咖啡圈效应的方法,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。


本文使用维基百科文章咖啡圈效应中的材料,它是在Creative Commons Attribution-Share-Alike License 3.0下发布的。