如何抑制“咖啡環(huán)效應(yīng)”成了最近一期《自然》雜志的封面故事。

等等，什么叫做“咖啡環(huán)效應(yīng)”？

現(xiàn)象背后暗藏玄機(jī)

一滴咖啡蒸發(fā)后，會在液滴的邊緣形成一個比中間區(qū)域顏色深得多的暗環(huán)，這種不均勻的沉積現(xiàn)象就是所謂的“咖啡環(huán)效應(yīng)”。事實上，許多溶有固體小顆粒物質(zhì)的溶液，在液體蒸發(fā)后也會出現(xiàn)類似的情況。

別小看這個不起眼的現(xiàn)象，其不僅是一種令人好奇的效應(yīng)，更是與眾多需要固體顆粒均勻沉積的應(yīng)用都相關(guān)的特別現(xiàn)象，例如噴墨打印、光子元件組裝以及DNA（脫氧核糖核酸）芯片制造等都涉及其中。此外，對于“咖啡環(huán)效應(yīng)”的研究，亦可以為生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用提供幫助。

1997年，芝加哥大學(xué)的物理學(xué)家西德尼?納高和托馬斯?威騰等人在《自然》雜志上發(fā)表了關(guān)于“咖啡環(huán)效應(yīng)”的論文，首次正式描述了這一現(xiàn)象，但他們主要聚焦在懸浮的球形顆粒。直到此次研究完成，懸浮顆粒形狀的作用才被揭示出來。

發(fā)表在8月18日出版的《自然》雜志上的研究報告，展示了賓夕法尼亞大學(xué)的物理學(xué)家團(tuán)隊如何通過改變?nèi)芤褐械念w粒形狀，來破壞惱人的“咖啡環(huán)效應(yīng)”。這一發(fā)現(xiàn)為實現(xiàn)均勻沉積固體顆粒層提供了新的途徑。

該校物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究實驗室的主任阿瓊?亞德以及博士研究生彼得?雅克和馬修?洛爾等主導(dǎo)了這項研究。雅克表示，“咖啡環(huán)效應(yīng)”在日常生活中十分普遍。以滴落在桌面或是紙張上的溶液為例，當(dāng)液滴蒸發(fā)時，其不會從圓周向內(nèi)一點(diǎn)一點(diǎn)收縮，而會直接變平。這個變平的動作將促使溶液內(nèi)的所有顆粒都懸浮起來，最終留在液滴邊緣。到溶液完全蒸發(fā)時，大多數(shù)顆粒都抵達(dá)了液滴的邊緣，并沉積在表面上，從而形成了一個深色的圓環(huán)。

改變形狀破解難題

為了避免這種現(xiàn)象，科學(xué)家都在竭盡全力尋找能在蒸發(fā)后生成均勻固體顆粒層的方法。殊不知，只需簡單改變懸浮顆粒的形狀，就能去除這種效應(yīng)。研究人員表示，不同的粒形學(xué)能夠改變空氣和液體交界面上的薄膜的性質(zhì)，這對蒸發(fā)過程可造成巨大影響。

科研人員在實驗中使用了大小一致的塑料顆粒。這些顆粒最初是球形的，但可以拉伸至離心率各異的橢圓顆粒。球形顆粒很容易從界面中分離出來，它們能輕易越過另一個同類顆粒，因為這種顆粒基本上不會改變空氣和液體的交界面。而橢圓顆粒則能引起交界面的起伏波動，并可由此引發(fā)橢圓顆粒之間強(qiáng)烈的吸引作用，抵消液滴蒸發(fā)時將球狀顆粒向液滴邊緣“驅(qū)趕”的動力。因此橢圓顆粒更容易被“卡住”，而“卡住”的顆粒能在蒸發(fā)過程中繼續(xù)沿液滴所在的表面流動，它們越來越多地阻礙了同類顆粒，造成了粒子“大塞車”，從而最終均勻覆蓋在液滴的表面。實驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)球形顆粒的拉伸比達(dá)到20%時，顆粒就會一致地沉積在物體表面。

據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)報道，在完成關(guān)于懸浮顆粒形狀的實驗后，研究人員又向液滴中添加了一種表面活性劑，以證明發(fā)生在溶液表面的相互作用就是“咖啡環(huán)效應(yīng)”的幕后推手。他們同樣采用了球形顆粒和橢圓顆�；旌显谝黄鸬娜芤�。在含有表面活性劑的液滴中，橢圓顆粒的“咖啡圈效應(yīng)”可以恢復(fù)，而“設(shè)計”出的球狀顆粒和橢圓顆粒的混合物亦能均勻沉積。但通過改變懸浮顆粒形狀去除“咖啡環(huán)效應(yīng)”的效果還不很穩(wěn)定，研究人員未來還需付出更多的努力進(jìn)行改進(jìn)。

雅克表示，理解顆粒形狀在液滴變干的過程中所起的作用，有助于人們改進(jìn)在印刷和繪畫等領(lǐng)域的應(yīng)用。同時，這一規(guī)律也適用于生物和醫(yī)療環(huán)境。抑制的“咖啡環(huán)效應(yīng)”也可以與生物傳感技術(shù)結(jié)合，用于檢測唾液、血液等體液中的生物標(biāo)志物，從而進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷。之前，加州大學(xué)洛杉磯分校的科研團(tuán)隊曾試圖通過縮小液滴尺寸的方法消除“咖啡環(huán)效應(yīng)”，而此項研究的成功將進(jìn)一步促進(jìn)人們對于這種效應(yīng)的思考，在探尋解決途徑的道路上永不停息。

本報記者張巍巍綜合外電

來源：科技日報

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