你是否有过这样的经历？滴落到桌面上的咖啡，在干掉之后会留下环状的斑渍，很难清理？事实上，许多溶有固体小颗粒物质的溶液，比如牛奶和颜料，在蒸发后也会出现类似的情况。这就是“咖啡环”coffee ring效应，也就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。
令人意想不到的是，这件微不足道的小事却是许多科学家都难解的谜题，并且这个现象还能大大推进血液诊断的研究进展。>>【立即咨询】
一个由蒙纳士大学领导的国际研究小组通过研究液滴在平面上的接触角度，以及它们的干燥过程，首次揭示了咖啡环效应背后的奥秘。这项蒙纳士大学和剑桥大学合作进行的研究还开发了一个数学模型，能够预测何时可以在硬球状粒子系统中观察到咖啡环。
吉尔·加尼尔Gil Garnier教授是蒙纳士大学化学工程系的澳洲生物资源处理研究所BioPRIA主任，他领导的一个国际团队对蒸发液滴如何形成图案进行了探究——这种现象多年来一直让物理学家迷惑不解。加尼尔教授说，这一发现主要归功于生物资源处理研究所的迈克尔·赫泰Michael Hertaeg博士，这项研究为血液诊断领域拓展了一片新天地，特别对研发贫血和其他血液疾病的治疗方法有重要意义。
胶体溶液在干燥后形成花纹图案是一种常见现象，如牛奶、咖啡、油漆、气溶胶和血液等都是如此。其中最常见的是环状分布，因为当液体干燥的时候，液体中的颗粒都已迁移到边缘，形成了所谓的咖啡环。这种沉积物在许多物品的制造过程中都是不受欢迎的，这让建筑、医疗和工程专业的专家对其产生了深深的兴趣。
蒙纳士大学的研究结论是，液滴与湿润表面的接触角度决定了咖啡环的多少。当液滴与湿润表面的接触角度非常大时，就不会出现咖啡环。“我们的研究确定了咖啡环形成的两个重要的可调节变量，那就是悬浮液滴与表面形成的接触角度，以及液体中的固体含量。”加尼尔教授说，“虽然我们之前已经成功实现了建模，但这是我们首次揭示，每个接触角度都有一个临界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，接触的角度越小，发现环状轮廓的可能性就越大。”
当一个液滴被放置在一个表面上时，它会很快达到一个明显的静止状态，对于小液滴来说，它可以完全由接触角度和半径来定义。液滴表面的蒸发速率和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，以及周围空气的流动速度和局部压力。
接着就是进行干燥实验，先用艾本德Eppendorf移液器将 6微升的溶液液滴放置在基质上，并将该液滴放置在温度23℃、相对湿度50%的房间中，让它在那里慢慢变干。
“我们揭示了这样一个事实，咖啡环的存在与否完全可以通过悬浮液中颗粒的初始体积分数和悬浮液在相应表面上形成的接触角度来预测。”加尼尔博士说，“利用这一发现，我们就能够计算出一个模型，通过接触角度预测各种液滴是否会形成咖啡环。”
这种建模技术及其产生的新认知，是优化制造技术和血液诊断技术的有力的新工具。>>【立即咨询】
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