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一滴小小的咖啡渍蕴藏着的奥秘(科学小知识)

喜欢喝咖啡的人会发现一个有趣的现象,从杯中溢出的咖啡蒸发后所留下的残渣往往不是一个实心浑圆的污渍,而是呈现出一种环形的印记,类似于汗水在衣服上形成的盐圈。很多人对此不以为意,但这个现象却引起了科学家的好奇与关注。

具体来说,一滴咖啡蒸发后,会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”。事实上,许多溶有固体小颗粒物质的溶液,在液体蒸发后也会出现类似的情况。这个不起眼的现象,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。

“咖啡环效应”本质上是一个流体力学的体现,环的形式不依赖于流体成分、颗粒以及基底的材料,溶质颗粒的沉积以自组装的方式进行。那么如何能够使溶质颗粒均匀沉积,避免出现咖啡环呢?科研人员在颗粒形状影响“咖啡环效应”的实验中使用了椭球颗粒。椭球会被幅向的流动推到液滴的边缘,当椭球到达边缘时,它们不但不会密集地堆积,反而会在液滴表面形成松散的网络层。随着更多椭球的到来,网络以无序的方式向液滴中部蔓延,阻止了后来的颗粒被推到边缘。因而,当液滴干燥后,椭球颗粒就会覆盖液滴占据的整个区域,咖啡环也就随之消失了。

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。

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