咖啡圈效應
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咖啡圈效應(Coffee-ring Effect),又譯咖啡環效應,指當滴狀液體在固體表面蒸發後,出現由內至外顏色逐漸加深的環圈的一種現象。最明顯的例子是咖啡噴濺在桌布上乾燥後留下的圓形痕跡。
流動機制
芝加哥大學的研究團隊在 1997 年於《自然》發表論文,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,並以此來減少流動的發生。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。
賓夕法尼亞大學研究小組認為[3],若固體表面的滴狀液體內部懸浮着許多微粒物質(例如:咖啡滴),在液滴蒸發過程中,液滴並不是一圈一圈地慢慢削小,而是慢慢扁平。正是這樣的"扁平滲流"推動了液滴中的微粒物質(咖啡)不斷地向邊緣聚集,當液滴被全部蒸發乾之後更多的微粒留在邊緣區域,形成了一個圓圈,也就出現了咖啡圈效應。Yunker等人還提出了減少咖啡圈效應的方法,例如將懸浮微粒的形狀改為橢圓形後,而不是傳統的圓形,微粒更能抵抗扁平滲流的作用, 因此橢圓微粒能留下更平整均勻的印記。
參考
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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]. (原始內容存檔於2011-10-10).