趣咖｜咖啡涉猎科学，“咖啡环效应”了解一下 - 知乎

　　在生活中，你一定见过咖啡或者茶水等带颜色的饮料泼洒在桌子或地面上形成的污渍。你是否注意到，在液滴的边缘形成一个比中间区域颜色深得多的暗环，这种不均匀的沉积现象就是所谓的“咖啡环效应”。别小看这个不起眼的现象，其不仅是一种令人好奇的效应，更是与众多需要固体颗粒均匀沉积的应用都相关的特别现象，例如喷墨打印、光子元件组装以及DNA（脱氧核糖核酸）芯片制造等都涉及其中。此外，对于“咖啡环效应”的研究，亦可以为生物医疗等领域的应用提供帮助。

　　咖啡环效应“诞生记”

　　1997年，芝加哥大学的物理学家西德尼·纳高和托马斯·威腾等人在《自然》杂志上发表了关于“咖啡环效应”的论文，首次正式描述了这一现象，但他们主要聚焦在悬浮的球形颗粒。直到此次研究完成，悬浮颗粒形状的作用才被揭示出来。发表在《自然》杂志上的研究报告，展示了宾夕法尼亚大学的物理学家团队如何通过改变溶液中的颗粒形状，来破坏恼人的“咖啡环效应”。这一发现为实现均匀沉积固体颗粒层提供了新的途径。该校物质结构研究实验室的主任阿琼·亚德以及博士研究生彼得·雅克和马修·洛尔等主导了这项研究。雅克表示，“咖啡环效应”在日常生活中十分普遍。以滴落在桌面或是纸张上的溶液为例，当液滴蒸发时，其不会从圆周向内一点一点收缩，而会直接变平。这个变平的动作将促使溶液内的所有颗粒都悬浮起来，最终留在液滴边缘。到溶液完全蒸发时，大多数颗粒都抵达了液滴的边缘，并沉积在表面上，从而形成了一个深色的圆环。

　　改变形状破解难题

　　为了避免这种现象，科学家都在竭尽全力寻找能在蒸发后生成均匀固体颗粒层的方法。殊不知，只需简单改变悬浮颗粒的形状，就能去除这种效应。研究人员表示，不同的粒形能够改变空气和液体交界面上的薄膜的性质，这对蒸发过程可造成巨大影响。科研人员在实验中使用了大小一致的塑料颗粒。这些颗粒最初是球形的，但可以拉伸至离心率各异的椭圆颗粒。球形颗粒很容易从界面中分离出来，它们能轻易越过另一个同类颗粒，因为这种颗粒基本上不会改变空气和液体的交界面。而椭圆颗粒则能引起交界面的起伏波动，并可由此引发椭圆颗粒之间强烈的吸引作用，抵消液滴蒸发时将球状颗粒向液滴边缘“驱赶”的动力。因此椭圆颗粒更容易被“卡住”，而“卡住”的颗粒能在蒸发过程中继续沿液滴所在的表面流动，它们越来越多地阻碍了同类颗粒，造成了粒子“大塞车”，从而最终均匀覆盖在液滴的表面。实验数据表明，当球形颗粒的拉伸比达到20%时，颗粒就会一致地沉积在物体表面。据美国物理学家组织网报道，在完成关于悬浮颗粒形状的实验后，研究人员又向液滴中添加了一种表面活性剂，以证明发生在溶液表面的相互作用就是“咖啡环效应”的幕后推手。

　　他们同样采用了球形颗粒和椭圆颗粒混合在一起的溶液。在含有表面活性剂的液滴中，椭圆颗粒的“咖啡圈效应”可以恢复，而“设计”出的球状颗粒和椭圆颗粒的混合物亦能均匀沉积。但通过改变悬浮颗粒形状去除“咖啡环效应”的效果还不很稳定，研究人员未来还需付出更多的努力进行改进。雅克表示，理解颗粒形状在液滴变干的过程中所起的作用，有助于人们改进在印刷和绘画等领域的应用。同时，这一规律也适用于生物和医疗环境。抑制的“咖啡环效应”也可以与生物传感技术结合，用于检测唾液、血液等体液中的生物标志物，从而进行医学诊断。之前，加州大学洛杉矶分校的科研团队曾试图通过缩小液滴尺寸的方法消除“咖啡环效应”，而此项研究的成功将进一步促进人们对于这种效应的思考，在探寻解决途径的道路上永不停息。

　　咖啡环有何用处？

　　虽然在很多时候，咖啡环效应令人厌烦，但其实它也可以为我们服务。如果运用得当的话，咖啡环效应完全可以成为一种新的分析手段。

　　案例一：例如，疟疾是困扰全世界很多地方、特别是热带地区的一种传染病，如果能够及时确诊，将为治疗带来极大的便利。来自美国范德比尔特大学的研究人员，利用这个特点以及咖啡环效应开发出一种快速检测疟疾的方法。他们首先在水中添加三种颗粒，前两种分别可以发出绿色和红色的荧光，第三种颗粒不能发出荧光，但具有磁性。当含有这三种颗粒的水滴在磁场作用下干燥时，两种荧光颗粒由于咖啡环效应会聚集在液滴边缘，于是就会看到绿光和红光混合呈现的黄色圆环；而磁性颗粒则聚集成一个圆斑。但如果水中存在着疟疾的病原体—疟原虫分泌的一种特殊蛋白质，它便会通过化学反应将绿色荧光颗粒和磁性颗粒连在一起。此时，当液滴在磁场作用下干燥，两种颗粒便会一起留在液滴的中心。于是我们看到的不再是黄色的圆环，而是红色的圆环加上一个绿色圆斑（下图）。

　　利用咖啡环效应快速诊断疟疾的原理和实际测试结果。左右分别对应未发生感染和存在疟原虫感染的情况。这样，通过图案上的显著区别，就能够快速鉴别出疟疾患者。

　　案例二：来自美国哈佛大学、加州大学洛杉矶分校的研究人员发现，如果液滴中含有多种颗粒，那么，咖啡环效应会将这些颗粒按照不同的尺寸分离开，直径最小的颗粒会聚集在咖啡环的最外侧，而直径最大的颗粒则会出现在咖啡环的内侧（下图）。

　　咖啡环结构的形成能够将不同直径的颗粒区分开。图中绿色、红色和蓝色荧光分别来自直径为40纳米、1微米和2微米的颗粒。这项发现或许可以提供一种简便快捷的分离手段，让我们无需复杂的仪器设备就可以完成对几种不同物质的分析鉴定。

　　案例三：还有一个巧妙利用咖啡环效应的例子来自电子产品。如今，液晶显示器和触摸屏已经成为智能手机和平板电脑的标准配置，这离不开一层既透明又能导电的材料氧化铟锡。但氧化铟锡的缺点也很明显：首先它较为硬脆，很难适应电子产品柔性化的发展趋势；其次，氧化铟锡的加工需要复杂的设备，成本比较高；另外，铟是稀有元素，人们担心电子产品的日益普及会让氧化铟锡变得供不应求。正因如此，科学家们急于寻找能够代替氧化铟锡的材料。 这可是个不小的挑战，因为透明和导电这两种性质在同一种材料上往往互相排斥。为了解决这一难题，来自以色列耶路撒冷希伯来大学的研究人员独出心裁，将含有纳米银颗粒的水溶液用喷墨打印的方法添加到塑料的表面。由于咖啡环效应，这些液滴在干燥后会形成一个个直径约150微米、宽不到10微米的银环。如果打印的液滴足够多，银环就会互相重叠，从而在塑料表面形成了一层能够导电的涂层。与此同时，由于光线仍然可以顺利透过银环的中心，因此，整个涂层得以保持高达95%的透明度（下图）。

　　利用咖啡环效应制备的既透明又导电的新型薄膜。这使其总体性能足以媲美氧化铟锡，而加工过程又远比氧化铟锡简便。或许在不远的将来，这项技术就会出现在电子产品中。可以预见，来自咖啡环效应的研究成果将不断启发科学家们改善现有技术或者开发新技术。一滴小小的水滴背后，竟然蕴藏了如此多的奥妙。这是科学的魅力所在，也是咖啡的神奇所在。本文转自学科网、《科学世界》2018年第6期