如何才能去除咖啡漬？科學(xué)家攻克“咖啡環(huán)效應(yīng)”污漬難題！

咖啡環(huán)效應(yīng)在物理學(xué)和日常生活中是一種眾所周知的效應(yīng)，即當(dāng)一滴咖啡滴落桌面時(shí)，其顆粒物質(zhì)就會(huì)在桌面上留下一個(gè)染色的污漬，并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(huán)狀斑的現(xiàn)象。特溫特大學(xué)科學(xué)家的一項(xiàng)研究表明，這是由于粒子向外邊緣移動(dòng)的“雪崩”造成。在噴墨和3-D打印中，這是不需要的效果，需要被克服。

現(xiàn)在，根據(jù)發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)上的研究成果，科學(xué)家已經(jīng)證明，可以通過使用油性層修改表面來抑制這種效應(yīng)。德克薩斯大學(xué)研究小組的早期研究表明，如果一個(gè)充滿顆粒的液滴蒸發(fā)，顆粒就會(huì)開始移動(dòng)到液滴的邊緣。起初，這是一個(gè)緩慢而有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，但一旦液滴因蒸發(fā)而失去高度，顆粒就會(huì)無序地沖到邊緣，就像雪崩一樣。液體完全蒸發(fā)后，仍然有一個(gè)黑色的環(huán)。

事實(shí)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?yàn)樵谠S多情況下，需要均勻的分布，而不是環(huán)形的暗區(qū)。新研究結(jié)果顯示，一個(gè)油潤(rùn)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(huì)蒸發(fā)的油層限制。它還可以防止液滴邊緣的水迅速蒸發(fā)，進(jìn)而防止顆粒移動(dòng)到邊緣。它們甚至以另一種方式移動(dòng)：從液滴的邊緣到內(nèi)部。一旦所有的水都蒸發(fā)了，顆粒就會(huì)均勻地覆蓋在表面，而不是形成一個(gè)環(huán)。

攻克咖啡環(huán)效應(yīng)污漬難題

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(huì)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(yīng)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(huán)控制到均勻分布。流體物理小組與打印機(jī)制造商建立了長(zhǎng)期的研究關(guān)系。在打印機(jī)涂抹液滴之前在基材(如紙張)上添加了一層特殊的涂層。

新研究成果對(duì)工藝的改進(jìn)非常有價(jià)值，新的見解和改進(jìn)的控制對(duì)其他應(yīng)用也有價(jià)值，如三維打印和表面圖案化。更好地洞察液體在表面蒸發(fā)的方式，也可能提供更多關(guān)于病毒從一個(gè)人傳播到另一個(gè)人方式的知識(shí)。這項(xiàng)研究是在流體物理學(xué)小組和馬克斯·普朗克復(fù)雜流體動(dòng)力學(xué)中心進(jìn)行。一般情況下，蒸發(fā)懸浮液滴會(huì)留下環(huán)狀污漬。對(duì)于許多需要均勻沉積的應(yīng)用，這些污漬意味著一個(gè)主要問題。

這尤其適用于噴墨打印、表面圖案化、自組裝和3D打印技術(shù)。研究提供了一種穩(wěn)定的方法，通過讓充滿顆粒的液滴，在油潤(rùn)濕的表面蒸發(fā)來抑制咖啡污漬效應(yīng)。通過添加表面活性劑來調(diào)節(jié)液滴的表面能，可以控制液滴周圍薄膜的接觸線行為、流動(dòng)結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)可控的粒子沉積。其研究發(fā)現(xiàn)可能為均勻涂層在上述應(yīng)用中開辟前景，但也適用于其他復(fù)雜的液滴蒸發(fā)，例如用于控制疾病傳播和農(nóng)業(yè)。

博科園｜研究/來自：特溫特大學(xué)

參考期刊《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.2006153117