如何才能去除咖啡渍？科学家攻克“咖啡环效应”污渍难题！

咖啡环效应在物理学和日常生活中是一种众所周知的效应，即当一滴咖啡滴落桌面时，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。特温特大学科学家的一项研究表明，这是由于粒子向外边缘移动的“雪崩”造成。在喷墨和3-D打印中，这是不需要的效果，需要被克服。

现在，根据发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的研究成果，科学家已经证明，可以通过使用油性层修改表面来抑制这种效应。德克萨斯大学研究小组的早期研究表明，如果一个充满颗粒的液滴蒸发，颗粒就会开始移动到液滴的边缘。起初，这是一个缓慢而有规律的运动，但一旦液滴因蒸发而失去高度，颗粒就会无序地冲到边缘，就像雪崩一样。液体完全蒸发后，仍然有一个黑色的环。

事实上，液滴的直径很早就决定了这一过程。研究试图防止这种情况，因为在许多情况下，需要均匀的分布，而不是环形的暗区。新研究结果显示，一个油润的表面是答案。在这种情况下，液滴也有边缘，但它受到一层不会蒸发的油层限制。它还可以防止液滴边缘的水迅速蒸发，进而防止颗粒移动到边缘。它们甚至以另一种方式移动：从液滴的边缘到内部。一旦所有的水都蒸发了，颗粒就会均匀地覆盖在表面，而不是形成一个环。

攻克咖啡环效应污渍难题

研究人员还看到了另一种效果：油层完全覆盖了液滴。在这种情况下，会形成一种颗粒浓度，即所谓的纳米眼或“咖啡眼”。这可能是某些应用(如纳米颗粒组装)所期望的效果。通过在液滴中加入表面活性剂，可以将最终的粒子沉积从浓缩的咖啡环控制到均匀分布。流体物理小组与打印机制造商建立了长期的研究关系。在打印机涂抹液滴之前在基材(如纸张)上添加了一层特殊的涂层。

新研究成果对工艺的改进非常有价值，新的见解和改进的控制对其他应用也有价值，如三维打印和表面图案化。更好地洞察液体在表面蒸发的方式，也可能提供更多关于病毒从一个人传播到另一个人方式的知识。这项研究是在流体物理学小组和马克斯·普朗克复杂流体动力学中心进行。一般情况下，蒸发悬浮液滴会留下环状污渍。对于许多需要均匀沉积的应用，这些污渍意味着一个主要问题。

这尤其适用于喷墨打印、表面图案化、自组装和3D打印技术。研究提供了一种稳定的方法，通过让充满颗粒的液滴，在油润湿的表面蒸发来抑制咖啡污渍效应。通过添加表面活性剂来调节液滴的表面能，可以控制液滴周围薄膜的接触线行为、流动结构和润湿状态，从而实现可控的粒子沉积。其研究发现可能为均匀涂层在上述应用中开辟前景，但也适用于其他复杂的液滴蒸发，例如用于控制疾病传播和农业。

博科园｜研究/来自：特温特大学

参考期刊《美国国家科学院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.2006153117