咖啡洒在桌上干了以后，为什么总会留住一圈边？

这是一个常见污渍背后的流膂力常识题，以及它为什么会影响显现、光伏和医学会诊。

图源：科普中国

许多东说念主都见过这种情况：咖啡不留神洒在桌上，过一阵子干了，桌面上会留住一圈很彰着的棕色陈迹。中间反而比拟干净，颜料主要堆在最外面那一圈。

这不是未必表象，而是一个还是被系统计划过的流膂力常识题，叫“咖啡环效应”。

1997 年，Deegan 等东说念主在《天然》上给出了这一表象的经典评释。其后东说念主们发现，它不仅仅生计里的小细节，还会径直影响喷墨打印、OLED 制造、钙钛矿太阳能电板成膜，以及一些基于干燥图案的低资本会诊武艺。

一滴咖啡为什么不会均匀地干掉？

若是只凭直观判断，许多东说念主会认为，一滴咖啡干了以后，里面的颗粒应该直率均匀地留在原地。但现实情况通常不是这样。液滴临了会在旯旮形成彰着千里积，主要和三个历程关系。

图源：科普中国

斗争线会被钉住

咖啡滴落到桌面后，液滴旯旮会形成一条环形斗争线，也等于液体、空气和固体名义相交的界限。

理念念情况下，液滴挥发时旯旮不错逐步向内收缩。但实在名义在微不雅法式上并不皆备平整，通常存在毛糙度和因素不均匀，这会让斗争线被局部“卡住”。这时常叫斗争线钉扎。

一朝斗争线被钉住，液滴体积天然持续减小，旯旮位置却不成解放回缩，后头的流动历程就会随之蜕变。

挥发在整个这个词液滴名义发生（蓝色箭头），因此若斗争线可解放回缩，液滴轮廓在挥发历程中将保握不变（虚线）但斗争线保握钉扎情状，以至斗争角减小（实线），由此便会激励从液滴中心向旯旮的毛细流动（玄色箭头），以补充斗争线处的流体。

旯旮挥发得更快

液滴旯旮时常比中间更薄，但挥发并不会因此变慢。违犯，旯旮位置的挥发通量通常更高。

原因在于，旯旮隔邻的蒸汽扩散要求更故意，蒸汽分子更容易从那处逸出。分析标明，关于薄液滴，接近斗争线的位置会出现彰着增强的挥发通量。也正因为这样，液滴旯旮老是更快“缺水”。

里面液体会从中心流向旯旮

旯旮挥发快，但斗争线又退不且归，液滴只可从里面把液体补往时。于是，液滴里面会形成一股由中心指向旯旮的毛细抵偿流。

悬浮在液滴里的颗粒、色素和其他溶质会被这股流带向外围，临了在旯旮千里积下来。等液滴皆备干燥后，就形成了中间较淡、外圈较深的典型环形陈迹。

跟着液滴挥发，其斗争线固定在特定位置不动，为保握质地守恒，颗粒会产生向外的流动（紫色箭头）

详尽来说，咖啡环效应不是某一个单独因素形成的，而是“斗争线钉扎 + 旯旮挥发更快 + 里面抵偿流搬运颗粒”共同作用的末端。

这个表象为什么值得这样多东说念主计划？

若是它只影响桌面清洁，天然不至于引来这样多计划。问题在于，许多当代工艺本色上都在作念兼并件事：把含有功能材料的液滴放到基底上，再让它干燥成均匀薄膜。咖啡环效应偶合会糟塌这一步。

OLED 和量子点显现

在喷墨打印显现制造里，液滴中含有发光材料。理念念情况下，这些材料应该均匀散布在像素区域内。若是干燥时出现彰着的咖啡环，材料会偏向旯旮堆积，中间变薄，最终形成发光不均匀。

关于大界限制造来说，这种不均匀会径直影响显现效力和产线良率。

左边是量子点参加喷墨打印结构的暗示，右边是 RGB 像素

钙钛矿太阳能电板

钙钛矿材料常用溶液法制备薄膜，这亦然它的进犯工艺上风之一。但若是先行者液在挥发历程中形成彰着的咖啡环，薄膜厚度就会不均匀，局部劣势也更容易出现，进而影响器件性能。

钙钛矿太阳能电板

医学快速会诊

在这个方朝上，计划者暖热的不是如何摒除咖啡环，而是如何哄骗它。

血液本人是一种复杂悬浮液，里面包含细胞、卵白质、脂质和多种熔解组分。不同因素比例会影响液滴干燥后的千里积图案。也等于说，一滴血干燥后留住的图样，可能包含与样本情状关系的信息。

若是这种各别大要被相识识别和法式化分析，就有契机发展出更低资本的筛查武艺。

血滴干燥图案对比

若何阻止咖啡环效应？

围绕这个问题，还是有东说念主尝试过许多决策，比如加入名义活性剂、蜕变基底润湿性、治愈溶剂配方、放荡温度，或者借助外场提拔干燥。

其中一个很有代表性的使命来自 Yunker 等东说念主在 2011 年发表的Nature 论文。计划发现，若是把悬浮颗粒从球形换成椭球形，咖啡环效应不错被彰着阻止。

球形与椭球颗粒千里积对比，椭球最终更均匀，球形则形成彰着旯旮环

原因在于，椭球颗粒吸附在液气界面后，更容易引起局部界面变形，并在颗粒之间产生较强的毛细互相作用。这会促使它们在界面上形成更相识的收集中构，收缩颗粒被径向流动握续推向旯旮的趋势。末端等于，干燥后的千里积图案更接近均匀薄膜，而不是彰着的环。

这个末端也指示东说念主们，在这类问题里，颗粒体式并不是细枝小节，而可能径直决定最终千里积时势。

液滴里面不惟唯一种流动

若是只接头毛细抵偿流，那么颗粒最终被带到旯旮似乎是势必的。但现实液滴里面往交往有另一股进犯流动：马兰戈尼流。

马兰戈尼流与毛细流对比

马兰戈尼流来自名义张力梯度。液滴挥发时，旯旮和中心的温度、浓度散布可能不同，而名义张力又会随这些因素变化，于是液体会沿着界面发生重新散布。

在不少体系中，这股流动在基底隔邻的标的偶合和毛细抵偿流违犯。于是，两种机制会在液滴里面同期存在：

- 毛细抵偿流倾向于把颗粒推向旯旮

- 马兰戈尼流可能把颗粒重新带回中心

临了形成环、形成访佛均匀千里积，照旧出现更复杂的过渡时势，通常取决于这两股流动的相对强弱。

许多阻止咖啡环的武艺，归根结底都是在更动这场竞争。

这不仅仅“咖啡渍问题”

咖啡环效应之是以握续劝诱计划者，一个进犯原因是：一滴正在挥发的液滴，本人等于一个高度浓缩的物理系统。

在很小的空间里，挥发、润湿、扩散、界面效应、颗粒输运和自拼装会同期发生，况兼相互耦合。只须蜕变一个要求，比如颗粒体式、溶剂构成、基底温度或挥发速度，临了的千里积末端就可能彰着不同。

这亦然为什么这个问题既属于基础物理，也和现实制造细密相干。它既能匡助东说念主们分解液滴挥发中的一般规章，也能径直干事于薄膜制备、图案构筑和低资本检测。

它照旧一个自拼装平台

液滴挥发时，颗粒并不仅仅被迫搬运。跟着浓度升高和空间收缩，它们还可能在局部自愿排布，形成较有序的结构。

这类“挥发造就自拼装”还是被用于制备胶体晶体、纳米阵列和微法式图案。换句话说，雷同的物理机制，既可能带来工艺劣势，也可能被反过来看成制造用具。

挥发造就自拼装暗示图

咖啡环效应挑升义的方位，不仅仅它“看起来很小”，却能邻接到许多领域；更在于它把一个日常表象和一整套物理历程筹商了起来。

桌面上的一圈咖啡渍，背后波及的是斗争线钉扎、非均匀挥发、里面流动、颗粒千里积和界面互相作用。持续往外延长，它又和显现制造、光伏成膜、自拼装材料以及便携式会诊筹商在一说念。

这类问题通常能指示东说念主们：许多值得计划的表象，并不一定一初始就显得雄伟。它们通常先以一个很平素的神情出现，等把机制少许点断绝，才会发现里面连着更大的图景。

是以下次若是再看到桌上的咖啡印，不妨多看一眼。那不是一个浅易的污渍，它亦然一节很齐全的流膂力学课。

参考文件

[1]Deegan, R. D., Bakajin, O., Dupont, T. F., Huber, G., Nagel, S. R., & Witten, T. A. (1997). *Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops*. Nature, 389, 827-829.

[2]Yunker, P. J., Still, T., Lohr, M. A., & Yodh, A. G. (2011). *Suppression of the coffee-ring effect by shape-dependent capillary interactions*. Nature, 476, 308-311.

[3]Mampallil, D., & Eral, H.体育游戏app平台 B. (2018). *A review on suppression and utilization of the coffee-ring effect*. Advances in Colloid and Interface Science, 252, 38-54.

[4]Witten, T. A. (2007). *Stress focusing in elastic sheets*. Reviews of Modern Physics, 79(2), 643.

[5]Hu, H., & Larson, R. G. (2006). *Marangoni effect reverses coffee-ring depositions*. The Journal of Physical Chemistry B, 110(14), 7090-7094.