咖啡洒在桌上干了以后，为什么总会留住圈边？

这是个常见污渍背后的流膂力常识题，以及它为什么会影响显现、光伏和医学会诊。

图源：科普

好多东谈主皆见过这种情况：咖啡不戒备洒在桌上，过阵子干了，桌面上会留住圈很彰着的棕陈迹。中间反而相比干净，颜主要堆在外面那圈。

这不是巧合赋闲，而是个也曾被系统接头过的流膂力常识题，叫“咖啡环应”。

1997 年，Deegan 等东谈主在《天然》上给出了这赋闲的经典解说。自后东谈主们发现，它不仅仅生计里的小细节，还会径直影响喷墨印、OLED 制造、钙钛矿太阳能电板成膜，以及些基于干燥图案的低资本会诊法。

滴咖啡为什么不会均匀地干掉？

淌若只凭直观判断，好多东谈主会合计，滴咖啡干了以后，里面的颗粒应该简单均匀地留在原地。但履行情况时常不是这样。液滴后会在边际形成彰着千里积，主要和三个经由关系。

图源：科普

战斗线会被钉住

咖啡滴落到桌面后，液滴边际会形成条环形战斗线，也即是液体、空气和固体名义相交的界限。

理念念情况下，液滴挥发时边际不错逐步向内收缩。但真实名义在微不雅程序上并造反整，时常存在疏漏度和要素不均匀，这会让战斗线被局部“卡住”。这时常叫战斗线钉扎。

旦战斗线被钉住，液滴体积天然链接减小，边际位置却不行解放回缩，背面的流动经由就会随之改造。

挥发在系数液滴名义发生（蓝箭头），因此若战斗线可解放回缩，液滴轮廓在挥发经由中将保捏不变（虚线）但战斗线保捏钉扎情景，以致战斗角减小（实线），由此便会激励从液滴中心向边际的毛细流动（黑箭头），以补充战斗线处的流体。

边际挥发得快

液滴边际时常比中间薄，但挥发并不会因此变慢。相悖，边际位置的挥发通量时常。

原因在于宣城塑料管材生产线厂家，边际隔邻的蒸汽扩散条目有意，蒸汽分子容易从那儿逸出。分析标明，关于薄液滴，接近战斗线的位置会出现彰着增强的挥发通量。也正因为这样，液滴边际老是快“缺水”。

里面液体会从中心流向边际

边际挥发快，但战斗线又退不且归，液滴只可从里面把液体补往常。于是，液滴里面会形成股由中心指向边际的毛细赔偿流。

悬浮在液滴里的颗粒、素和其他溶质会被这股流带向外围，后在边际千里积下来。等液滴干燥后，就形成了中间较淡、外圈较的典型环形陈迹。

跟着液滴挥发，其战斗线固定在特定位置不动，为保捏质料守恒，颗粒会产生向外的流动（紫箭头）

抽象来说，咖啡环应不是某个单因素形成的，而是“战斗线钉扎 + 边际挥发快 + 里面赔偿流搬运颗粒”共同作用的效劳。

这个赋闲为什么值得这样多东谈主接头？

淌若它只影响桌面清洁，天然不至于引来这样多接头。问题在于，好多当代工艺实质上皆在作念同件事：把含有材料的液滴放到基底上，再让它干燥成均匀薄膜。咖啡环应恰巧会扯后腿这步。

OLED 和量子点显现

在喷墨印显现制造里，液滴中含有发光材料。理念念情况下，这些材料应该均匀散布在像素区域内。淌若干燥时出现彰着的咖啡环，材料会偏向边际堆积，中间变薄，终形成发光不均匀。

关于大鸿沟制造来说，这种不均匀会径直影响显现果和产线良率。

左边是量子点参加喷墨印结构的暗示，右边是 RGB 像素

钙钛矿太阳能电板

钙钛矿材料常用溶液法制备薄膜，这亦然它的遑急工艺势之。但淌若先行者液在挥发经由中形成彰着的咖啡环，薄膜厚度就会不均匀，局部弱势也容易出现，进而影响器件能。

钙钛矿太阳能电板

医学快速会诊

在这个进取，塑料管材设备接头者关注的不是如何摒除咖啡环，而是如何讹诈它。

液自己是种复杂悬浮液，里面包含细胞、卵白质、脂质和多种融解组分。不同要素比例会影响液滴干燥后的千里积图案。也即是说宣城塑料管材生产线厂家，滴干燥后留住的图样，可能包含与样本情景关系的信息。

淌若这种各异约略被表露识别和程序化分析，就有契机发展出低资本的筛查法。

滴干燥图案对比

怎么扼制咖啡环应？

围绕这个问题，也曾有东谈主尝试过好多案，比如加入名义活剂、改造基底润湿、颐养溶剂、限度温度，或者借助外场支持干燥。

其中个很有代表的职责来自 Yunker 等东谈主在 2011 年发表的Nature 论文。接头发现，淌若把悬浮颗粒从球形换成椭球形，咖啡环应不错被彰着扼制。

球形与椭球颗粒千里积对比，椭球终均匀，球形则形成彰着边际环

原因在于，椭球颗粒吸附在液气界面后，容易引起局部界面变形，并在颗粒之间产生较强的毛细相互作用。这会促使它们在界面上形成表露的汇集会构，镇静颗粒被径向流动捏续向边际的趋势。效劳即是，干燥后的千里积图案接近均匀薄膜，而不是彰着的环。

这个效劳也提示东谈主们，在这类问题里，颗粒现象并不是细枝小节，而可能径直决定终千里积模式。

液滴里面不单要种流动

淌若只议论毛细赔偿流，那么颗粒终被带到边际似乎是然的。但履行液滴里面走动往有另股遑急流动：马兰戈尼流。

马兰戈尼流与毛细流对比

马兰戈尼流来自名义张力梯度。液滴挥发时，边际和中心的温度、浓度散布可能不同，而名义张力又会随这些因素变化，于是液体会沿着界面发生从头散布。

在不少体系中，这股流动在基底隔邻的向恰巧和毛细赔偿流相悖。于是，两种机制会在液滴里面同期存在：

- 毛细赔偿流倾向于把颗粒向边际

- 马兰戈尼流可能把颗粒从头带回中心

后形成环、形成雷同均匀千里积，照旧出现复杂的过渡模式，时常取决于这两股流动的相对强弱。

好多扼制咖啡环的法，归根结底皆是在疏浚这场竞争。

这不仅仅“咖啡渍问题”

咖啡环应之是以捏续眩惑接头者，个遑急原因是：滴正在挥发的液滴，自己即是个度浓缩的物理系统。

在很小的空间里，挥发、润湿、扩散、界面应、颗粒输运和自拼装会同期发生，何况相互耦。只须改造个条目，比如颗粒现象、溶剂构成、基底温度或挥发速度，后的千里积效劳就可能彰着不同。

这亦然为什么这个问题既属于基础物理，也和履行制造雅致关系。它既能匡助东谈主们领会液滴挥发中的般规定，也能径直就业于薄膜制备、图案构筑和低资本检测。

它照旧个自拼装平台

液滴挥发时，颗粒并不仅仅被迫搬运。跟着浓度升和空间收缩，它们还可能在局部自愿排布，形成较有序的结构。

这类“挥发诱自拼装”也曾被用于制备胶体晶体、纳米阵列和微程序图案。换句话说，雷同的物理机制，既可能带来工艺弱势，也可能被反过来行为制造器具。

挥发诱自拼装暗示图

咖啡环应有真理的地，不仅仅它“看起来很小”，却能联贯到好多域；在于它把个通俗赋闲和整套物理经由接洽了起来。

桌面上的圈咖啡渍，背后触及的是战斗线钉扎、非均匀挥发、里面流动、颗粒千里积和界面相互作用。链接往外延长，它又和显现制造、光伏成膜、自拼装材料以及便携式会诊接洽在起。

这类问题时常能提示东谈主们：好多值得接头的赋闲，并不定运行就显得远大。它们时常先以个很粗俗的面目出现，等把机制点点圮绝，才会发现里面连着大的图景。

是以下次淌若再看到桌上的咖啡印，不妨多看眼。那不是个浅薄的污渍，它亦然节很完竣的流膂力学课。

参考文件

[1]Deegan, R. D., Bakajin, O., Dupont, T. F., Huber, G., Nagel, S. R., & Witten, T. A. (1997). *Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops*. Nature, 389, 827-829.

[2]Yunker, P. J., Still, T., Lohr, M. A., & Yodh, A. G. (2011). *Suppression of the coffee-ring effect by shape-dependent capillary interactions*. Nature, 476, 308-311.

[3]Mampallil, D., & Eral, H. B. (2018). *A review on suppression and utilization of the coffee-ring effect*. Advances in Colloid and Interface Science, 252, 38-54.

[4]Witten, T. A. (2007). *Stress focusing in elastic sheets*. Reviews of Modern Physics, 79(2), 643.

[5]Hu, H., & Larson, R. G. (2006). *Marangoni effect reverses coffee-ring depositions*. The Journal of Physical Chemistry B, 110(14), 7090-7094.

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