如何才能去除咖啡漬?科學家終於攻克「咖啡環效應」汙漬難題!

咖啡環效應在物理學和日常生活中是一種眾所周知的效應，即當一滴咖啡滴落桌面時，其顆粒物質就會在桌面上留下一個染色的汙漬，並且汙漬的顏色是不均勻的，邊緣部分要比中間更深一些，形成環狀斑的現象。特溫特大學科學家的一項研究表明，這是由於粒子向外邊緣移動的「雪崩」造成。在噴墨和3-D列印中，這是不需要的效果，需要被克服。

現在，根據發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上的研究成果，科學家已經證明，可以通過使用油性層修改表面來抑制這種效應。德克薩斯大學研究小組的早期研究表明，如果一個充滿顆粒的液滴蒸發，顆粒就會開始移動到液滴的邊緣。起初，這是一個緩慢而有規律的運動，但一旦液滴因蒸發而失去高度，顆粒就會無序地衝到邊緣，就像雪崩一樣。液體完全蒸發後，仍然有一個黑色的環。

事實上，液滴的直徑很早就決定了這一過程。研究試圖防止這種情況，因為在許多情況下，需要均勻的分布，而不是環形的暗區。新研究結果顯示，一個油潤的表面是答案。在這種情況下，液滴也有邊緣，但它受到一層不會蒸發的油層限制。它還可以防止液滴邊緣的水迅速蒸發，進而防止顆粒移動到邊緣。它們甚至以另一種方式移動：從液滴的邊緣到內部。一旦所有的水都蒸發了，顆粒就會均勻地覆蓋在表面，而不是形成一個環。

攻克咖啡環效應汙漬難題

研究人員還看到了另一種效果：油層完全覆蓋了液滴。在這種情況下，會形成一種顆粒濃度，即所謂的納米眼或「咖啡眼」。這可能是某些應用(如納米顆粒組裝)所期望的效果。通過在液滴中加入表面活性劑，可以將最終的粒子沉積從濃縮的咖啡環控制到均勻分布。流體物理小組與印表機製造商建立了長期的研究關係。在印表機塗抹液滴之前在基材(如紙張)上添加了一層特殊的塗層。

新研究成果對工藝的改進非常有價值，新的見解和改進的控制對其他應用也有價值，如三維列印和表面圖案化。更好地洞察液體在表面蒸發的方式，也可能提供更多關於病毒從一個人傳播到另一個人方式的知識。這項研究是在流體物理學小組和馬克斯·普朗克複雜流體動力學中心進行。一般情況下，蒸發懸浮液滴會留下環狀汙漬。對於許多需要均勻沉積的應用，這些汙漬意味著一個主要問題。

這尤其適用於噴墨列印、表面圖案化、自組裝和3D列印技術。研究提供了一種穩定的方法，通過讓充滿顆粒的液滴，在油潤溼的表面蒸發來抑制咖啡汙漬效應。通過添加表面活性劑來調節液滴的表面能，可以控制液滴周圍薄膜的接觸線行為、流動結構和潤溼狀態，從而實現可控的粒子沉積。其研究發現可能為均勻塗層在上述應用中開闢前景，但也適用於其他複雜的液滴蒸發，例如用於控制疾病傳播和農業。

博科園｜研究/來自：特溫特大學

參考期刊《美國國家科學院院刊》

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