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咖啡漬圈環的物理學-本研究不由Starbucks贊助

在科學中,很多簡單的事物會變得很複雜,例如咖啡。你可能會注意到濺灑出來的一滴咖啡,乾涸後並不會變成褐色斑點,而是邊緣有深色外環清晰的漬跡。要靠咖啡才能開始一天工作的人,桌面、文件、杯墊甚至衣服,都免不了常常擦拭的痕跡,那個漬跡的研究,歷史可溯及1997年《Nature》上的一篇論文。更早可能就要問土耳其咖啡占卜師,看到隔夜的杯底咖啡渣時,是否也想過這個問題了。

粒子的形狀

物理學家企圖找出為何會這樣已經超過十年以上。這個技術上稱為「咖啡漬圈環效應」(coffee ring effect)的現象,早先認為這是因為裡外不同的蒸發率造成的毛細滲流。但他們現在認為他們有了新的答案。

破解這個問題的科學家,一開始並不是研究咖啡環的,賓州大學的Peter Yunker和他的同事研究當液體蒸發時,不同形狀的粒子如何聚集—如球形、卵形或甚至是細長形的粒子。

因此首先他們觀察到含有球形粒子的液體蒸發時,會形成如咖啡造成的漬圈環。「但是當我們蒸發帶著細長粒子的水滴時,不會形成漬圈環,反而擴散到水滴覆蓋的整個區域。」Yunker猜想,或許正是粒子的形狀造成咖啡漬圈環的效應。咖啡的確有粒子在內,但是Yunker並不知道他們是球狀與否。所以他做了任何好的科學家會做的事情。

他說:「我們下樓找了台咖啡機,投了35分買了杯咖啡,然後上樓把咖啡放在顯微鏡底下看一看,然後,至少在顯微鏡底下的分子看起來是球形的。」

水滴變形

對於大部分人來說,這可能已經足夠說明了一切,但是Yunker想要看他是否可以更精確地控制條件下的效果,如粒子的尺寸和確實的形狀。所以他決定讓粒子更輕易地控制。

他說:「我們使用的粒子是由聚苯乙烯製成,所以只是塑料粒子。」當他讓一滴帶著圓形粒子的液體揮發時,形成了一個漬環。當他用細長形的粒子時,卻看不到漬環。為什麼形狀會造成差別呢?

「當細長形的粒子抵達水滴表面時,改變了表面的形狀。」Yunker這樣說。水滴表面的變形,似乎是關鍵。當球形粒子抵達水滴表面時,其外形並不會造成相同的變形。

少了變形,粒子抵達水滴的邊緣時,造成了一個漬環。橢圓形的粒子造成的變形,就不會有漬環。

從咖啡到印表機

Arjun Yodh,本論文的共同作者,也是賓州大學物質研究實驗室的主持人說:「某程度上來說,帶著好奇有趣的心情,但實際上,還有很多關於『為何會這樣?』的有趣物理學。」同時這個研究,有很多實際的運用也超越咖啡。想一想,例如液體揮發若是運用在一層顏料或者噴墨印表機的墨水時,你不會想要文件上的每個字都帶著深色的邊緣外框吧!

John curry,亞歷桑那大學的化學家也表示,新研究看來解決了問題。「他們發現可微調的變項–明顯地,那並不困難–而且他們可以改變,不管這個薄膜是否均勻。」

本研究成果,可見期刊《Nature》。(本研究不由Starbucks贊助)

原文及相關參考出處

[Nov 28, 2010] 咖啡漬圈環有道理

NPR news: Scientists Crack The Physics Of Coffee Rings

Nature, Volume: 476, Pages: 308–311. Suppression of the coffee-ring effect by shape-dependent capillary interactions 

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關於作者

貓人複合體。成員為黃貓、花貓、虎班貓。東海社會學博士,清華社人所碩士,曾任報社編輯和記者,博士後研究員,流浪博士。