科學家終於揭開了「咖啡壞」效應背後的奧秘

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由莫納什大學領導的一個國際研究小組通過研究液滴與表面的接觸角以及它們是如何乾燥的,首次發現了「咖啡環」效應背後的奧秘。莫納什大學和劍橋大學參與的研究合作還開發了一個數學模型,能夠預測在硬球狀粒子系統中何時能觀察到咖啡環。

科學家終於揭開了「咖啡壞」效應背後的奧秘

咖啡環效應,是指當一滴咖啡或者茶滴落桌面時,其顆粒物質就會在桌面上留下一個染色的污漬,並且污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。

這支國際團隊由莫納什大學化學工程系 BioPRIA(澳大利亞生物資源加工研究所)主任 Gil Garnier 教授帶領,對蒸發液滴如何形成圖案進行了探究。這一現象多年來一直讓物理學家感到神秘。Garnier 教授說,這一發現由來自 BioPRIA 的 Michael Hertaeg 博士創造,可以為血液診斷領域打開大門,特別是發現貧血和其他血液疾病的治療方法。

花紋的形成是乾燥膠體液體中常見的現象,如牛奶、咖啡、油漆、氣溶膠和血液等。在液滴中最常見的是環狀分佈,乾燥時液體顆粒已遷移到邊緣,這就是所謂的咖啡環。這種沉積物在許多製造過程中都是不利的,建築、醫療和工程專業的專家對其有根本的興趣。

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科學家終於揭開了「咖啡壞」效應背後的奧秘

他們的結論是,液滴放在濕潤表面上的接觸角決定了咖啡角的普遍性。當液滴被放置在一個高接觸角時,就不會出現咖啡角。Garnier 教授表示:

我們的研究確定了液滴在表面懸浮形成的接觸角及其固體含量是咖啡環形成的兩個重要的調節變數。雖然之前已經實現了成功的建模,但我們在這裡首次表明,對於每個接觸角,都有一個關鍵的初始膠體體積分數,超過這個分數就不會形成環狀圖案。從本質上講,接觸角越低,發現環狀輪廓的可能性越大。

當一個液滴被放置在一個表面上時,它很快就會達到一個表觀平衡位置,對於小液滴來說,這個位置可以僅由接觸角和半徑來定義。液滴表面的蒸發速度和質量流動性的變化取決於許多因素,包括流體的蒸汽壓力、液滴表面的幾何形狀以及周圍大氣的速度和分壓。

乾燥實驗是通過將 6µL 的溶液液滴放置在基質上,用 Eppendorf 移液器進行的。將該液滴放置在濕度和溫度控制的房間中,在23℃和50%的相對濕度下保持乾燥。

Garnier 博士表示:「我們表明,咖啡環的存在或不存在完全可以通過懸浮液中顆粒的初始體積分數和懸浮液在感興趣的表面上形成的接觸角來預測。利用這一發現,我們就能夠計算出一個模型,利用一些液滴從接觸角預測咖啡環的形成。這種建模技術及其產生的見解是優化製造和診斷技術的新的有力工具」。

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