由莫納什大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究小組通過(guò)研究液滴與表面的接觸角以及它們是如何干燥的，首次發(fā)現(xiàn)了“咖啡環(huán)”效應(yīng)背后的奧秘。莫納什大學(xué)和劍橋大學(xué)參與的研究合作還開發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，能夠預(yù)測(cè)在硬球狀粒子系統(tǒng)中何時(shí)能觀察到咖啡環(huán)。

咖啡環(huán)效應(yīng)，是指當(dāng)一滴咖啡或者茶滴落桌面時(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。

這支國(guó)際團(tuán)隊(duì)由莫納什大學(xué)化學(xué)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(lǐng)，對(duì)蒸發(fā)液滴如何形成圖案進(jìn)行了探究。這一現(xiàn)象多年來(lái)一直讓物理學(xué)家感到神秘。Garnier 教授說(shuō)，這一發(fā)現(xiàn)由來(lái)自 BioPRIA 的 Michael Hertaeg 博士創(chuàng)造，可以為血液診斷領(lǐng)域打開大門，特別是發(fā)現(xiàn)貧血和其他血液疾病的治療方法。

花紋的形成是干燥膠體液體中常見(jiàn)的現(xiàn)象，如牛奶、咖啡、油漆、氣溶膠和血液等。在液滴中最常見(jiàn)的是環(huán)狀分布，干燥時(shí)液體顆粒已遷移到邊緣，這就是所謂的咖啡環(huán)。這種沉積物在許多制造過(guò)程中都是不利的，建筑、醫(yī)療和工程專業(yè)的專家對(duì)其有根本的興趣。

他們的結(jié)論是，液滴放在濕潤(rùn)表面上的接觸角決定了咖啡角的普遍性。當(dāng)液滴被放置在一個(gè)高接觸角時(shí)，就不會(huì)出現(xiàn)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(huán)形成的兩個(gè)重要的調(diào)節(jié)變量。雖然之前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了成功的建模，但我們?cè)谶@里首次表明，對(duì)于每個(gè)接觸角，都有一個(gè)關(guān)鍵的初始膠體體積分?jǐn)?shù)，超過(guò)這個(gè)分?jǐn)?shù)就不會(huì)形成環(huán)狀圖案。從本質(zhì)上講，接觸角越低，發(fā)現(xiàn)環(huán)狀輪廓的可能性越大。

當(dāng)一個(gè)液滴被放置在一個(gè)表面上時(shí)，它很快就會(huì)達(dá)到一個(gè)表觀平衡位置，對(duì)于小液滴來(lái)說(shuō)，這個(gè)位置可以僅由接觸角和半徑來(lái)定義。液滴表面的蒸發(fā)速度和質(zhì)量流動(dòng)性的變化取決于許多因素，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。

干燥實(shí)驗(yàn)是通過(guò)將 6µL 的溶液液滴放置在基質(zhì)上，用 Eppendorf 移液器進(jìn)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(duì)濕度下保持干燥。

Garnier 博士表示：“我們表明，咖啡環(huán)的存在或不存在完全可以通過(guò)懸浮液中顆粒的初始體積分?jǐn)?shù)和懸浮液在感興趣的表面上形成的接觸角來(lái)預(yù)測(cè)。利用這一發(fā)現(xiàn)，我們就能夠計(jì)算出一個(gè)模型，利用一些液滴從接觸角預(yù)測(cè)咖啡環(huán)的形成。這種建模技術(shù)及其產(chǎn)生的見(jiàn)解是優(yōu)化制造和診斷技術(shù)的新的有力工具”。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)家