咖啡是許多人日常生活中的必需品，身邊不少小夥伴，每天如果不喝上一杯咖啡，總感覺生活和工作中少了點什麽。如果生活中的你經常喝咖啡，那麽你或許有過咖啡不小心散出或滴落的經曆，在手忙腳亂的同時，不知道你是否注意到這樣一個神奇的現象：滴落在桌面上的咖啡如果不及時擦拭，等它幹燥後，桌面上形成的汙漬就是一個外圍深色、內部淺色的環。這種現象被稱爲“咖啡環”效應。然而，這個看似簡單的 “咖啡環”效應背後卻隱藏著科學的奧秘！

生活中常見的咖啡環效應

咖啡環效應的發現

1997年，芝加哥大學的物理學家西德尼·納高和托馬斯·威騰等人在《自然》雜志上發表了關于“咖啡環效應”的論文。在這篇文章中，咖啡環效應第一次被正式描述，但這篇論文的重點還是集中在懸浮的球形顆粒。後來，伴隨著同類研究的不斷深入，人們才逐漸了解到懸浮顆粒形狀的作用。繼而，關于如何破除“咖啡環效應”的研究成果也不斷顯現。如賓夕法尼亞大學的物理學家團隊就寄希望于改變溶液中的顆粒形狀，來破壞咖啡環效應，尋找實現均勻沉積固體顆粒層的新方法。

1997年，咖啡環效應的相關研究登上Nature封面

“咖啡環”效應是一個與液滴蒸發密切相關的科學問題。自從1997年科學家發文闡述它的形成機理以來，“咖啡環”效應已受到國際社會廣泛關注。它廣泛存在于我們的日常生活和工農業生産中，在日常清潔、工業印染、噴墨打印、器件組裝和芯片制造等方面均存在不同程度的不利影響。那麽，咖啡環效應背後的成因究竟是怎樣的呢？

咖啡環效應的成因

當一滴液體灑落在桌面後，隨著時間的推移，液滴中的水會隨之蒸發，在這過程中，受桌面與液體之間的固液界面和和液體與空氣表面的氣液界面的相互作用不同，導致液滴不同位置的水的蒸發速率不同，促使了咖啡環的形成。

咖啡環效應的成因示意圖

在桌面或紙面與液滴之間的界面處，水的蒸發速率要比在液滴與空氣之間的界面處水的蒸發快，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。最終水蒸發掉之後，溶質小顆粒們不斷在邊緣積累，就變成了“環”。

咖啡環效應轉化應用

事實上，“咖啡環”效應不僅會出現在我們喝咖啡的時候，還時不時出現在我們的生活和工作中。一個典型的例子是噴墨打印。這項技術的基本原理是將微小的油墨液滴不斷噴射到紙張或者其他媒介表面的指定位置，然後令液滴幹燥。噴墨打印不僅被用來在紙上打印出高質量的圖文，甚至還用在打印電子線路等功能性材料上，是一種在産業中非常重要的加工技術。顯然，在噴墨打印過程中，如果液滴幹燥後形成一個個圓環，將會嚴重降低所打印內容的分辨率，因此絕對不可以對咖啡環效應坐視不管。

爲了解決這一問題，科學家們開始尋找液滴蒸發後如何形成均勻固體層的辦法。後來他們發現，想要解決這一現象，需要改變懸浮顆粒的性質。科學家們發現不同的粒形以能夠改變空氣和液體交界面上的薄膜的性質，從而影響蒸發過程。

在同等條件下，橢圓形的顆粒會改變空氣和液體的交界面，雖然目前這項研究還未完全成熟，但是科學家們仍然致力于通過改變懸浮顆粒形狀去除“咖啡環效應”的研究。但這一發現，直接揭露了顆粒形狀對蒸發的作用，有效指導人們改進印刷、繪畫的方法。

科學家研究不同形狀的微粒對蒸發的影響

除了改變懸浮顆粒的性質以外，科學家還想到通過換一種固體基底的方法來對付咖啡環效應。我們已經知道，咖啡環效應的起因是固體表面阻礙著液滴邊緣在蒸發過程中的移動。而在不同的固體表面上，這種阻力也是有強有弱。如果液滴在阻力比較弱的固體表面幹燥，自然就可以抑制咖啡環效應。

硫酸銅溶液的液滴在石墨表面（左）與石英玻璃表面（右）上的幹燥過程

例如硫酸銅溶液在石墨表面幹燥時會形成咖啡環結構，但如果改在石英玻璃表面幹燥，就會形成均勻的圓斑。這是因爲石英玻璃對液滴邊緣後退的阻礙要弱得多，只是在剛開始收縮時阻擋了一下。在這種情況下，我們自然不必擔心咖啡環效應出來搗亂。

由此看來，科學的奧秘正藏在我們生活中的各種細微現象中，等待著我們去探尋。下次如果遇到咖啡不小心滴落在桌上的情況，不妨慢點擦淨，仔細觀察一番咖啡環的形成過程。