小小咖啡漬背后竟暗藏玄機
【長知識】
在日常生活中，或許每個人都會有不小心將咖啡滴落到桌面上的經歷，但不知道你是否注意到這樣一個神奇的現象：如果不將滴落到桌面上的咖啡及時擦去，等它干燥之后，桌面上形成的污漬就是一個外圍深色、內部淺色的環。
這一現象被稱為咖啡環效應。
不同于純凈水，從某種意義上來說，咖啡和茶這類的沖泡飲品，都可以被歸為溶液（嚴格來說是溶液和懸濁液的混合物）。
咖啡的深褐色來自咖啡豆經過烘焙、萃取后的炭黑色物質，在咖啡被沖泡之后，這些物質就變成了懸浮在液體中的若干個小顆粒。我們不小心滴到衣服上或者桌面上的咖啡漬的顏色就是由小顆粒造成的。
對于大部分普通人而言，咖啡環效應不過是日常生活中的一個偶然現象，但是在物理學家們的眼里，這背后卻大有玄機。
蒸發速率不同導致咖啡環出現
咖啡環效應雖然以咖啡命名，但是從廣義上來說，應該是溶液在固體表面蒸發時發生的一種科學現象。以咖啡圓環為代表的、可觀察到的有色圓環的形成過程也是較為直觀的：當溶液滴落在桌面或是紙張上時，液滴蒸發并不會形成等比例漸漸縮小的圓圈而是形成外側溶質顆粒多，而內側溶質顆粒少的圓環形狀。
這是因為液滴中的水在蒸發時，桌面與液體之間的固液界面和液體與空氣表面的氣液界面的相互作用，導致處在液滴不同位置的水的蒸發速率不一致，進而促使了咖啡環的形成。
在桌面或紙面與液滴之間的交界處，水的蒸發速率要比在液滴與空氣之間的交界處的蒸發速率快。
如此一來，液滴中間的水分子就會攜帶溶質和顆粒來到液滴與桌面或紙面的邊緣進行補充。最終，在水蒸發掉之后，溶質小顆粒們不斷在邊緣積累，就慢慢變成了我們所看到的環。
1997年，芝加哥大學的物理學家西德尼·納高和托馬斯·威騰等研究人員就在國際權威期刊《自然》雜志上發表了關于咖啡環效應的學術論文。在這篇文章中，咖啡環效應第一次被正式描述出來。從那以后，關于如何破除咖啡環效應的科學研究成果也不斷顯現。
小發現背后有大應用
咖啡環效應不僅是生活中一個有意思的小現象，它的出現實際上也給人們日常的生產、生活帶來了一些困擾和麻煩，比如打印機噴墨不均勻就是由咖啡環效應造成的。
為了解決這些難題，研究人員們開始尋找液滴蒸發后如何形成均勻固體層的辦法。
后來，科學家們發現，想要解決這一問題，就需要改變懸浮顆粒的性質。研究者們發現，不同的顆粒形狀能夠改變空氣和液體交界面上的薄膜的性質，從而影響這些物質的蒸發過程。
在同等條件下，橢圓形的顆粒會改變空氣和液體的交界面。這一研究發現，直接揭露了顆粒形狀對蒸發的作用，進而有效地指導人們改進印刷、繪畫的方法。
除此之外，咖啡環效應還在生物領域“閃閃發光”。在診斷學上，科學家們將咖啡環效應與生物傳感技術結合，用于檢測唾液、血液等體液中的生物標志物。美國范德比爾特大學的研究人員就在此研究基礎上創造出了一種快速檢測瘧疾的生物學方法。
不僅如此，咖啡環效應還讓人們關注到可以按照顆粒尺寸的不同，分離出同一種溶液中的多種溶質。
舉例來說，集中在咖啡環最外側的顆粒直徑最小，集中在咖啡環內側的顆粒直徑更為大些，科學家們利用這一原理實現了相關物質的分離。
英國著名的物理學家、數學家牛頓在被蘋果砸到頭后，開始關注萬有引力,進而影響了之后數年物理學的發展，或許科學的奧秘就藏在日常生活中一些細微的現象中，等待人們去探尋。
你下次在喝咖啡的時候，若是不小心將咖啡滴到桌面上，不妨不緊不慢地將它們擦干凈，同時暢想一番有關咖啡環效應的新應用。
（來源：數字北京科學中心）
