咖啡漬圈環的物理學 - 咖啡討論

作者：PanSci 編輯 老橘子


在科學中，很多簡單的事物會變得很複雜，例如咖啡。你可能會注意到濺灑出來的一滴咖
啡，乾涸後並不會變成褐色斑點，而是邊緣有深色外環清晰的漬跡。要靠咖啡才能開始一
天工作的人，桌面、文件、杯墊甚至衣服，都免不了常常擦拭的痕跡，那個漬跡的研究，
歷史可溯及1997年Nature上的一篇論文。更早可能就要問土耳其咖啡占卜師，看到隔夜的
杯底咖啡渣時，是否也想過這個問題了。


粒子的形狀


物理學家企圖找出為何會這樣已經超過十年以上。這個技術上稱為「咖啡漬圈環效應」
(coffee ring effect)的現象，早先認為這是因為裡外不同的蒸發率造成的毛細滲流。但
他們現在認為他們有了新的答案。


破解這個問題的科學家，一開始並不是研究咖啡環的，賓州大學的Peter


Yunker和他的同事研究當液體蒸發時，不同形狀的粒子如何聚集—如球形、卵形或甚至是
細長形的粒子。


因此首先他們觀察到含有球形粒子的液體蒸發時，會形成如咖啡造成的漬圈環。「但是當
我們蒸發帶著細長粒子的水滴時，不會形成漬圈環，反而擴散到水滴覆蓋的整個區域。」
Yunker猜想，或許正是粒子的形狀造成咖啡漬圈環的效應。咖啡的確有粒子在內，但是
Yunker並不知道他們是球狀與否。所以他做了任何好的科學家會做的事情。


他說：「我們下樓找了台咖啡機，投了35分買了杯咖啡，然後上樓把咖啡放在顯微鏡底下
看一看，然後，至少在顯微鏡底下的分子看起來是球形的。」


水滴變形


對於大部分人來說，這可能已經足夠說明了一切，但是Yunker想要看他是否可以更精確地
控制條件下的效果，如粒子的尺寸和確實的形狀。所以他決定讓粒子更輕易地控制。


他說：「我們使用的粒子是由聚苯乙烯製成，所以只是塑料粒子。」當他讓一滴帶著圓形
粒子的液體揮發時，形成了一個漬環。當他用細長形的粒子時，卻看不到漬環。為什麼形
狀會造成差別呢？


「當細長形的粒子抵達水滴表面時，改變了表面的形狀。」Yunker這樣說。水滴表面的變
形，似乎是關鍵。當球形粒子抵達水滴表面時，其外形並不會造成相同的變形。


少了變形，粒子抵達水滴的邊緣時，造成了一個漬環。橢圓形的粒子造成的變形，就不會
有漬環。


從咖啡到印表機


Arjun Yodh，本論文的共同作者，也是賓州大學物質研究實驗室的主持人說：「某程度上
來說，帶著好奇有趣的心情，但實際上，還有很多關於『為何會這樣？』的有趣物理學。
」同時這個研究，有很多實際的運用也超越咖啡。想一想，例如液體揮發若是運用在一層
顏料或者噴墨印表機的墨水時，你不會想要文件上的每個字都帶著深色的邊緣外框吧！


John curry，亞歷桑那大學的化學家也表示，新研究看來解決了問題。「他們發現可微調
的變項–明顯地，那並不困難–而且他們可以改變，不管這個薄膜是否均勻。」


（本研究不由Starbucks贊助）


原文及相關參考出處


NPR news: Scientists Crack


The Physics Of Coffee Rings


Nature, Volume: 476,


Pages: 308–311. Suppression of the coffee-ring effect by shape-dependent


capillary interactions





http://tw.news.yahoo.com/article/url/d/a/110906/131/2y70t.html

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