咖啡漬圈環有道理

[Original publish date:Nov 28, 2010]

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平常可見的咖啡漬圈環狀沉積物，其物理現象對工業塗料、電子業與醫藥技術提供了新點子。

溢出的咖啡在桌上會留下明顯的環狀沉積物，稱之為coffee ring effect。在物理學上，coffee ring［咖啡漬環圈］是指一灘帶者微粒的液體在蒸發之後所遺留的環狀型態，例如紅酒從杯中濺出也會留下環狀紅酒漬。

Coffee ring effect 首由芝加哥大學Robert D. Deegan提出物理解釋，並以“Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops”於1997年發表於Nature。Deegan認為滴落在桌上的液滴，由於裏外不同的蒸發率引致毛細管滲流，邊緣的蒸發液體會由液滴內的液體加以補充，其所產生的向外液流幾乎能將全部的液體推向液滴邊緣，造成環狀構型。Deegan的文獻廣受引用，coffee ring effect也應用在印刷、表面塗裝與醫檢技術上。

布朗大學Shreyas Mandre等人更進一步使用掃描式電子顯微鏡與數學模型對coffee ring進行詳細研究，認為微粒的圖案化沉積，能以蒸發與表面張力等物理參數控制。研究人員發現於環狀物沉積階段，如果濃度超過某個界線，就會沉積一層均勻厚度的微粒層，低於此界線，沉積物形成非均勻條紋［non-uniform bands］。由於邊緣的固液介面蒸發率較液滴由內而外的流動補充率為高，會讓微粒留在邊緣、乾固而且沉積。

Mandre認為，控制環型沉積物有助於創造新型微觀物理工具，適用於微粒無法被鑷子或其他傳統工具移動的場景，液體蒸發［evaporation］與流動補充［replenishment］率的相競是微工具的控制過程關鍵所在，其潛在應用包括印刷、工業噴塗、製造電子產品以及新藥設計。

Mandre的研究報告“Coffee ring deposition in bands”於11月23日發表American Physical Society Division of Fluid Dynamics meeting in Long Beach, CA。

參考來源：

• physorg: The physics of coffee rings

相關連結：

• Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops

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