美国物理学家揭开“咖啡环”效应之谜(图)
2017-08-04 06:57:58| 分类：
Coffee咖啡一族
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美国物理学家揭开“咖啡环”效应之谜(图)
宾夕法尼亚大学物理学家揭开了“咖啡环”效应，主要原因是液渍颗粒外形的影响以及流动方向的问题。 |
据国外媒体8月19日报道，当一滴咖啡或者茶滴落桌面时，其颗粒物质就会在桌面上留下一个被染色的环状物，而且环状物的颜色却是不均匀的，边缘部分要比中间更深一些，这就是咖啡环效应。宾夕法尼亚大学的物理学家最近表示，当由于某些液体滴溅到桌面上而留下环形染色渍，可以通过改变颗粒的形状以达到去除的目的。但是，如果改变了颗粒的形状，咖啡渍迹的行为就会出现变化。图中片状颗粒(蓝色)相比较整个测试区域而言，并没有表现出咖啡环效应，则是出现了一个均匀的暗色污点(右下方)。相关的研究论文发表在8月18日的《自然》杂志上。
同时，宾夕法尼亚大学的物理学家研究小组也展示如何通过改变粒子形状而破坏“咖啡环效应”环状染色颗粒，这些颗粒则是在咖啡滴蒸发了之后留下的。这个发现的意义是：为工程师提供了一种在涂料研究领域的新工具。该项研究是由宾夕法尼亚大学艺术与科学学院物理和天文系的物质结构研究实验室主任阿琼(Arjun Yodh)教授，博士生彼得(Peter Yunker)以及马修(Matthew Lohr)，博士后研究员蒂姆(Tim Still)共同合作完成。实验的操作员为宾夕法尼亚大学研究员弗里斯(Felice Macera)。
在我们日常生活中，液体滴溅到桌面上的情况是很普遍的，因此，咖啡环的效应如果认真去观察也很常见。但是，在如何避免咖啡环产生的问题上，科学家此前曾往涂层以及油墨方面研究，而目前的这个实验表明，我们其实可以改变颗粒的形态就可以将其消除，这就是从颗粒的本质上着手，达到消除的效果。
例如，当一滴液体(水)滴溅出来，落到了桌子或者一张纸上，往往会在纸张或者桌面上留下渍迹，看上去像是被“固定”到了这些表面上。而接下来的情况就不言而喻了，这些渍点随着液体的蒸发而被留了下来，而外面一圈的环状渍圈并不会消失，会在桌面或者纸张上留下痕迹。研究人员同时也对颗粒的形状在多大程度上影响了失水的过程。这是因为，不同形状的粒子，在各自的空气-水界面层上具有变化的性质，这些不同的性质最后就会导致不同的结果。
在1997年的时候，芝加哥大学的物理学家西德尼纳格尔(Sidney Nagel)、托马斯威滕(Thomas Witten)和他们的同事曾完成了一篇论文，主要是关于被留在桌面或者纸张上的球形颗粒。但是，直到宾夕法尼亚大学Yodh教授的研究团队进行了本项试验才使得这些颗粒在咖啡环效应中所扮演的重要作用得到了体现。而Yodh研究团队在试验中使用到的塑料颗粒的大小是均匀的，这些塑料颗粒同时也呈球形，并且赋予其不同程度的偏心率，以确保试验测试中处于失水的状态。
球形颗粒很容易脱离界面，这是由于他们的流动性较强，并且由于他们的球形的，所以在颗粒表面空气-水界面层上的变化幅度并不是很大。而如果是椭球性的颗粒，则它们在空气-水界面层上就具有较大幅度的波动。因此，对于为什么在液滴周围会出现环状液渍分布就显而易见了，这是因为这些椭球形的颗粒在物体表面上并不太容易流动，然而在液体蒸发的过程中，这些椭球形的颗粒在蒸发推动下，会往液渍的外层运动，这样越蒸发，液态越少，椭球形的颗粒运动就会造成堵塞，逐渐就形成了留在桌子或者纸张表面上的环状液渍。
而一旦将球形颗粒的形状改变了大约20%，液滴中颗粒沉积的大小就基本统一了。同时，研究人员还试验了一种表面活性剂，基本上可以认为就是肥皂，而添加其的目的就是为了观察界面层中存在的相互作用产生了何种效果。由于添加了表面活性剂，使得表面张力出现了下降，椭球形的颗粒就不会出现不易流动的情况了，很自由地流动到环的边缘。
此外，研究人员还试验了由球形颗粒和椭球形颗粒的混合物，观察颗粒的流动性是否受到相互影响。这样的试验对照是很有意义的，如果我们能确认球形颗粒与椭球形颗粒之间存在相互影响，那我们只要撒上具有椭球形颗粒的物质就可以影响咖啡环效应了。但是，实验结果却是时而可行，时而不可行。这项实验的研究目的就是为了了解颗粒形状是否影响失水过程，这项技术可以用于印刷或者绘画领域，而且在许多涂料以及危险化学品方面也同样适用。
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