水滴蒸发形成污环的原因

水滴蒸发形成污环的原因

关键词： 咖啡环效应 毛细作用 液体表相互作用

液体颗粒形状

清洗桌面后，你以为桌面很干净了，事后再来看，却有很

多的污环(如图1所示)，那这污环到底怎样形成的呢？经

过对一些参考文献的探索，我解开了谜底。

97年研究人员将这种我们经常看到许多溶有固体小颗首

次粒物质的溶液干了之后出现一个环状渍的现象，当液体

干燥的时候，由于液体边缘干燥速度更快，形成内部向边

缘的液流，液体中心的颗粒会随着液流向边缘富集，随着液体持续挥发，在液体蒸发后形成污环就像一滴咖啡蒸发

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，不均匀的沉积现象就称作“咖啡环效应”。原来当液

滴蒸发时，其不会从圆周向内一点一点收缩，而会直接变

平。这个变平的动作将促使溶液内的所有颗粒都悬浮起来，

并在边界楔形部位产生毛细作用，使得所有颗粒向边界运

动，最终留在液滴边缘（如图2所示）。到溶液完全蒸发

时，大多数颗粒都抵达了液滴的边缘，并沉积在表面上，从而形成了一个深色的圆环。

那么怎么避免这种现象，去除这种 “咖啡环效应”效应呢？科学家也在竭尽全力寻找能在蒸发后生成均匀固体颗粒层的方法。 最终通过简单改变悬浮颗粒的形状，就能去除这种“咖啡环效应”。研究人员表示，不同粒形能够改变空气和液体交界面上的薄膜的性质，这对蒸发过程可造成巨大影响。 研究人员在实验中使用了大小一致的塑料颗粒。这些颗粒最初是球形的，但可以拉伸至离心率各异的椭圆颗粒。球形颗粒很容易脱离界面，这是由于他们的流动性较强，并且由于他们的球形的，所以在颗粒表面空气-水界面层上的变化幅度并不是很大。而如果是椭球性的颗粒，则它们在空气-水界面层上就具有较大幅度的波动。因此，对于为什么在液滴周围会出现环状液渍分布就显而易见了，这是因为这些椭球形的颗粒在物体表面上并不太容易流动，然而在液体蒸发的过程中，这些椭球形的颗粒在蒸发推动下，会往液渍的外层运动，这样越蒸发，液态越少，椭球形的颗粒运动就会造成堵塞，逐渐就形成了留在桌子或者纸张表面上的环状液渍。 而一旦将球形颗粒的形状改变了大约20%，液滴中颗粒沉积的大小就基本统一 它们能轻易越过另一个同类颗粒， 从而最终均匀覆盖在液滴的表面，他们的解释是各向异性颗粒产生了一种长程相互作用使其聚集。实验数据表明，当球形颗粒的拉伸比达到20%时，颗粒就会一致地沉积在物体表面。原理如下3、4、5、 6图所示：

在完成关于悬浮颗粒形状的实验后，研究人员还试验了一种表面活性剂，基本上可以认为就是肥皂，而添加其的目的就是为了观察界面层中存在的相互作用产生了何种效果。由于添加了表面活性剂，使得表面张力出现了下降，椭球形的颗粒就不会出现不易流动的情况了，很自由地流动到环的边缘。证明了发生在溶液表面的相互作用就是“咖啡环效应”的幕后推手 。他们同样采用了球形颗粒和椭圆颗粒混合在一起的溶液，观察颗粒的流动性是否受到相互影响。在含有表面活性剂的液滴中，椭圆颗粒的“咖啡圈效应”可以恢复，而“设计”出的球状颗粒和椭圆颗粒的混合物亦能均匀沉积。但通过改变悬浮颗粒形状去除“咖啡环效应”的效果还不很稳定，研究人员未来还需付出更多的努力进行改进。但这样的试验对照是很有意义的，如果我们能确认球形颗粒与椭球形颗粒之间存在相互影响，那我们只要撒上具有椭球形颗粒的物质就可以影响咖啡环效应了。

，，研究人员表示，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。抑制的“咖啡环效应”也可以与生物传感技术结合，用于检测唾液、血液等体液中的生物标志物，从而进行医学诊断。之前，加州大学洛杉矶分校的科研团队曾试图通过缩小液滴尺寸的方法消除“咖啡环效应”，而此项研究的成功将进一步促进人们对于这种效应的思考，在探寻解决途径的道路上永不停息。

这真是让人脑洞大开啊，一个小现象，就蕴含了这么多知识，看来任何时候都不能丧失想象力啊！虽然每个人注意到这个现象的时候都会思考一下为什么，但是很少有人想到毛细流，

而想到其他的解释，就更不容易。这么正常而又反常的现象，明显会有很大的作用！而该现象的尺度范围从小分子到微米粒子，到各种不同的液相、悬浮物和基底都保守的出现这一现象。试想在一个固体基底上，液相不断挥发，沉积下另一种粉末的过程，在自然界和人类活动中都是非常常见的,喷墨打印机就是这样的啊。

参考文献：

1、Robert D. Deegan, Olgica Bakajin, Todd F. Dupont, Greb Huber, Sidney R. Nagel &

Thomas A. ：Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops.

Nature1997,389:827

2、Peter J. Yunker,Tim Still, Matthew A. Lohr,A. G. Yodh:Suppression of the coffee-ring effect by shape-dependent capillaryinteractions. Nature2011,476:30 8