小小咖啡渍背后竟暗藏玄机
  • 来源:科技日报
  • 2022-10-26 09:46

总会形成外围颜色深、内部颜色浅的环

视觉中国提供


  【长知识】

  在日常生活中,或许每个人都会有不小心将咖啡滴落到桌面上的经历,但不知道你是否注意到这样一个神奇的现象:如果不将滴落到桌面上的咖啡及时擦去,等它干燥之后,桌面上形成的污渍就是一个外围深色、内部浅色的环。

  这一现象被称为咖啡环效应。

  不同于纯净水,从某种意义上来说,咖啡和茶这类的冲泡饮品,都可以被归为溶液(严格来说是溶液和悬浊液的混合物)。

  咖啡的深褐色来自咖啡豆经过烘焙、萃取后的炭黑色物质,在咖啡被冲泡之后,这些物质就变成了悬浮在液体中的若干个小颗粒。我们不小心滴到衣服上或者桌面上的咖啡渍的颜色就是由小颗粒造成的。

  对于大部分普通人而言,咖啡环效应不过是日常生活中的一个偶然现象,但是在物理学家们的眼里,这背后却大有玄机。


  蒸发速率不同导致咖啡环出现


  咖啡环效应虽然以咖啡命名,但是从广义上来说,应该是溶液在固体表面蒸发时发生的一种科学现象。以咖啡圆环为代表的、可观察到的有色圆环的形成过程也是较为直观的:当溶液滴落在桌面或是纸张上时,液滴蒸发并不会形成等比例渐渐缩小的圆圈而是形成外侧溶质颗粒多,而内侧溶质颗粒少的圆环形状。

  这是因为液滴中的水在蒸发时,桌面与液体之间的固液界面和液体与空气表面的气液界面的相互作用,导致处在液滴不同位置的水的蒸发速率不一致,进而促使了咖啡环的形成。

  在桌面或纸面与液滴之间的交界处,水的蒸发速率要比在液滴与空气之间的交界处的蒸发速率快。

  如此一来,液滴中间的水分子就会携带溶质和颗粒来到液滴与桌面或纸面的边缘进行补充。最终,在水蒸发掉之后,溶质小颗粒们不断在边缘积累,就慢慢变成了我们所看到的环。

  1997年,芝加哥大学的物理学家西德尼·纳高和托马斯·威腾等研究人员就在国际权威期刊《自然》杂志上发表了关于咖啡环效应的学术论文。在这篇文章中,咖啡环效应第一次被正式描述出来。从那以后,关于如何破除咖啡环效应的科学研究成果也不断显现。


  小发现背后有大应用


  咖啡环效应不仅是生活中一个有意思的小现象,它的出现实际上也给人们日常的生产、生活带来了一些困扰和麻烦,比如打印机喷墨不均匀就是由咖啡环效应造成的。

  为了解决这些难题,研究人员们开始寻找液滴蒸发后如何形成均匀固体层的办法。

  后来,科学家们发现,想要解决这一问题,就需要改变悬浮颗粒的性质。研究者们发现,不同的颗粒形状能够改变空气和液体交界面上的薄膜的性质,从而影响这些物质的蒸发过程。

  在同等条件下,椭圆形的颗粒会改变空气和液体的交界面。这一研究发现,直接揭露了颗粒形状对蒸发的作用,进而有效地指导人们改进印刷、绘画的方法。

  除此之外,咖啡环效应还在生物领域“闪闪发光”。在诊断学上,科学家们将咖啡环效应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。美国范德比尔特大学的研究人员就在此研究基础上创造出了一种快速检测疟疾的生物学方法。

  不仅如此,咖啡环效应还让人们关注到可以按照颗粒尺寸的不同,分离出同一种溶液中的多种溶质。

  举例来说,集中在咖啡环最外侧的颗粒直径最小,集中在咖啡环内侧的颗粒直径更为大些,科学家们利用这一原理实现了相关物质的分离。

  英国著名的物理学家、数学家牛顿在被苹果砸到头后,开始关注万有引力,进而影响了之后数年物理学的发展,或许科学的奥秘就藏在日常生活中一些细微的现象中,等待人们去探寻。

  你下次在喝咖啡的时候,若是不小心将咖啡滴到桌面上,不妨不紧不慢地将它们擦干净,同时畅想一番有关咖啡环效应的新应用。

  (来源:数字北京科学中心)


责任编辑:胡利娟
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