奇妙的咖啡環效應

文 / 魏昕宇

在生活中，你一定見過咖啡或者茶水等帶顏色的飲料潑灑在桌子或地面上形成的污漬吧。你是否注意到，這些污漬顏色最深的地方，是在邊緣部分呢？如今，科學家不僅弄清楚了環形污漬的成因，而且已經能夠消除它，甚至巧妙地利用這種奇妙的機制。

咖啡是世界上最為流行的飲料之一。每天早餐後喝一杯咖啡，或者在工作間隙和同事一起喝咖啡聊天，已經成為許多人生活的一部分。不過，如果在享用咖啡時不小心灑落到書桌、餐具或者地面上，一定要記得及時清理，否則用不了多久，就會看到一塊塊深色的污漬。

不過，如果仔細觀察咖啡帶來的這些污漬，會發現其中的深色部分並非均勻分布成一個圓斑；相反，它們主要集中在曾經被液滴覆蓋區域的邊緣，而中心的顏色則很淺，讓污漬看上去像是一個圓環（下圖）。這就是著名的「咖啡環效應」。

為什麼咖啡液滴乾燥後留下的污漬看上去像是一個個環呢？

由於咖啡的組成複雜，或許你會猜測，這是其中某種特殊化學物質作用的結果。然而事實上並非如此，大量的觀察表明，只要易揮發的液體中有固體微粒懸浮，或者溶解了難以揮發的物質，那麼當液滴揮發完畢後，殘留下的固體都有可能形成類似的環狀結構。咖啡環效應雖然得名於咖啡，其實卻是一種相當普遍的現象，它的「幕後推手」究竟是誰呢？

當一滴水落在固體表面的一剎那，有幾種力量就開始互相較勁。第一種力量是重力。俗話說，人往高處走，水往低處流。這句話形象地道出了重力對液體的作用。在這裡，「低處流」的結果是液滴會在固體表面流動鋪展開。然而，當液滴足夠小時，重力的影響就微乎其微了。真正決定液滴命運的是另外兩種力量：首先是水分子之間的相互吸引，它會讓水滴趨於保持球形；其次是水分子與固體表面分子之間的相互吸引，它的作用恰好相反，會使水滴趨於在固體表面鋪展開來。水分子之間相互吸引的力量是固定的，但不同固體表面與水分子間的吸引作用可以有很大的差別。

如果吸引作用很弱，那水滴就會保持原樣，就像荷葉上的水珠一樣，這種固體表面被稱作超疏水表面。要是吸引作用很強，那麼水滴將不復存在，取而代之的將是一層薄薄的水膜，這種固體表面被稱作超親水表面。但對日常生活中的絕大多數固體表面而言，這兩種力量相差並沒有那麼懸殊，於是水滴便會在固體表面鋪展一定程度，成為一個球冠。

水分的蒸發會導致水滴的體積不斷縮小。由於在水滴的邊緣，表面積與體積之比更大，單位體積的水分蒸發的速度更快。因此理論上，我們應該看到水滴的邊緣逐漸向中心收縮，液面逐漸變小直到徹底消失。那麼，水中溶有的難揮發物質或者懸浮的固體顆粒，例如咖啡中的咖啡因、綠原酸、礦物質、碳水化合物、蛋白質、蛋白黑素（咖啡豆烘烤過程中糖和氨基酸反應形成的高分子化合物）等物質，由於無法隨水分一起蒸發，那在液滴乾燥後，理應剩下一個顏色大致均勻乃至中間略深的圓斑。

然而，實際上當水滴的邊緣開始退卻時，會有一隻「大手」有力地頂在它的身後，發出明確的信號：「不準後退，必須頂住」。這就是由於固體表面粗糙不平的結構或者化學成分不均一而造成的額外的摩擦阻力。面對這一要求，水滴「面露難色」：「不讓後退可以，但邊緣的弟兄們在不斷地流失，總得補充上去。」解決這個問題並不困難：既然液滴中心總是比邊緣厚，那當邊緣的水分蒸發時，一部分水分子就會從中心流向邊緣。這樣一來，水滴的乾燥過程就變得和之前的預想迥然不同：儘管其體積隨著水分揮發而不斷減小，但液面的直徑卻可以在相當長時間裡，乃至幾乎徹底乾燥前都大致保持不變。

如果這滴水中含有難以揮發的分子或固體顆粒，那麼這些物質就會隨著水流不斷從液滴中心流向邊緣。當水分蒸發時，這些分子或固體顆粒就留在了液滴邊緣。這樣一來，水滴邊緣處析出的固體就會越積越多，而留在中心的分子或固體顆粒則越來越少。當水滴完全乾燥時，自然就會看到一個環形的結構（下圖）。不難看出，咖啡環效應是液體與固體表面相互博弈的結果。

咖啡環效應的成因示意圖

有趣的是，咖啡環效應這種相當普遍且成因並不複雜的現象，卻直到1997年才由來自美國芝加哥大學的科學家們首次給出系統的解釋。不過俗話說得好，是金子總會發光，咖啡環效應雖然被忽視了很久，但並不妨礙如今成為研究的熱點。有的朋友可能會問，既然咖啡環效應的成因已經弄清楚了，那為什麼還需要更多的後續研究呢？這是因為，在有些時候我們需要阻止咖啡環效應，而另外一些情況下又需要利用它。

（未完待續。原載《科學世界》2018年第6期）

主要參考文獻：

[1] Robert D. Deegan, Olgica Bakajin, ToddF. Dupont, Greb Huber, Sidney R. Nagel, Thomas A. Witten, 「Capillary flow asthe cause of ring stains from dried liquid drops」, Nature, 1997, 389, 827

[2] Robert D. Deegan, Olgica Bakajin, ToddF. Dupont, Greg Huber, Sidney R. Nagel, Thomas A. Witten, 「Contact linedeposits in an evaporating drop」, Physical Review E, 2000, 62, 756

[3] Ronald G. Larson, 「Twenty years ofdrying droplets」, Nature, 2017, 550, 466

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