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科学家首次发现了“咖啡环”效应背后的奥秘
时间:2021-04-06 14:30:18

由莫纳什大学领导的一个国际研究小组通过研究液滴与表面的接触角以及它们是如何干燥的,首次发现了“咖啡环”效应背后的奥秘。莫纳什大学和剑桥大学参与的研究合作还开发了一个数学模型,能够预测在硬球状粒子系统中何时能观察到咖啡环。

咖啡环效应,是指当一滴咖啡或者茶滴落桌面时,其颗粒物质就会在桌面上留下一个染色的污渍,并且污渍的颜色是不均匀的,边缘部分要比中间更深一些,形成环状斑的现象。

这支国际团队由莫纳什大学化学工程系 BioPRIA(澳大利亚生物资源加工研究所)主任 Gil Garnier 教授带领,对蒸发液滴如何形成图案进行了探究。这一现象多年来一直让物理学家感到神秘。Garnier 教授说,这一发现由来自 BioPRIA 的 Michael Hertaeg 博士创造,可以为血液诊断领域打开大门,特别是发现贫血和其他血液疾病的治疗方法。

花纹的形成是干燥胶体液体中常见的现象,如牛奶、咖啡、油漆、气溶胶和血液等。在液滴中最常见的是环状分布,干燥时液体颗粒已迁移到边缘,这就是所谓的咖啡环。这种沉积物在许多制造过程中都是不利的,建筑、医疗和工程专业的专家对其有根本的兴趣。

他们的结论是,液滴放在湿润表面上的接触角决定了咖啡角的普遍性。当液滴被放置在一个高接触角时,就不会出现咖啡角。Garnier 教授表示:

我们的研究确定了液滴在表面悬浮形成的接触角及其固体含量是咖啡环形成的两个重要的调节变量。虽然之前已经实现了成功的建模,但我们在这里首次表明,对于每个接触角,都有一个关键的初始胶体体积分数,超过这个分数就不会形成环状图案。从本质上讲,接触角越低,发现环状轮廓的可能性越大。

当一个液滴被放置在一个表面上时,它很快就会达到一个表观平衡位置,对于小液滴来说,这个位置可以仅由接触角和半径来定义。液滴表面的蒸发速度和质量流动性的变化取决于许多因素,包括流体的蒸汽压力、液滴表面的几何形状以及周围大气的速度和分压。

干燥实验是通过将 6µL 的溶液液滴放置在基质上,用 Eppendorf 移液器进行的。将该液滴放置在湿度和温度控制的房间中,在23℃和50%的相对湿度下保持干燥。

Garnier 博士表示:“我们表明,咖啡环的存在或不存在完全可以通过悬浮液中颗粒的初始体积分数和悬浮液在感兴趣的表面上形成的接触角来预测。利用这一发现,我们就能够计算出一个模型,利用一些液滴从接触角预测咖啡环的形成。这种建模技术及其产生的见解是优化制造和诊断技术的新的有力工具”。

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