咖啡圈效应

✍ dations ◷ 2025-08-05 20:16:43 #物理现象

咖啡圈效应（Coffee-ring Effect），又译咖啡环效应，指当滴状液体在固体表面风干后，出现由内至外颜色逐渐加深环圈的一种现象。最明显的例子是咖啡溅落在桌布上风干后留下的圆形痕迹。

芝加哥大学的研究团队在 1997 年于自然发表，咖啡圈的出现是由于毛细现象固定了液滴的边界，而接近边缘蒸发的液体必须由内部的液体补充，因而形成由内部流向边缘的液体流。这样造成的流动几乎可以把所有的溶质带到边缘。

Hu 和 Larson 于随后的研究发现，蒸发效应在液滴内部会引发马伦哥尼流。这样的流动如果过于强烈，实际上会把溶质粒子重新分配到液滴中心。因此如果要让粒子累积在边缘，液体中的马伦哥尼流必须很弱。例如添加界面活性剂可以减少液体的表面张力梯度，来减少引发的流动。Hu 和 Larson 也提到，水本身的马伦哥尼流就相当微弱，在水中添加界面活性剂更进一步削弱了马伦哥尼流。

宾夕法尼亚大学研究小组认为，若固体表面的滴状液体内部悬浮着许多微粒物质（例如：咖啡滴），在液滴蒸发（风干）过程中，液滴并不是一圈一圈地慢慢削小，而是慢慢扁平。正是这样的"扁平渗流"推动了液滴中的微粒物质（咖啡）不断地向边缘聚集，当液滴被全部蒸发干之后更多的微粒留在边缘区域，形成了一个圆圈，也就出现了咖啡圈效应。Yunker等人还展现了消除咖啡圈效应的方法，例如将悬浮微粒的形状改为椭圆形后，而不是传统的圆形，微粒更能抵抗扁平渗流的作用, 因此椭圆微粒能留下更平整均匀的印记。

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