咖啡渍为什么总是圆的？

（图源pixabay）

经常喝咖啡（或者说经常打翻咖啡）的朋友可能会发现，咖啡洒在桌面或衣服上的时候会留下一个不均匀的环状痕迹。这个现象被称为“咖啡环”。日前，由莫纳什大学澳大利亚生物资源加工研究所所长Gil Garnier教授领导的国际研究小组首次通过检查液滴在表面上的接触角以及液滴的干燥方式，发现了形成“咖啡环”背后的奥秘。  

胶体液体，包括牛奶，咖啡，油漆，气溶胶和血液等在空气中变得干燥时，形成图案是很常见的情况。形成的图案中最常见的是环形分布，这是由于干燥时液体颗粒聚集在了边缘，这称为咖啡环。这种生活中似乎微不足道的现象事实上会在许多领域会造成不便，包括建筑，医疗和工程专业等领域都会造成影响。

（液滴在表面的接触角较低，在干燥后会形成咖啡环；较高则不会。图片摘自原论文）

这项研究确定了液滴在表面上的悬浮形成的接触角及其固体含量是形成咖啡环的两个重要控制变量。通过实验，研究人员发现液滴在湿润表面上放置的接触角决定了咖啡角的普遍性。当液滴以高接触角放置时，则不会形成咖啡环。研究团队首次在这里表明，对于每个接触角，都有一个关键的初始胶体体积分数，在该分数上不会形成环状图案。基本上，接触角越小，发现环形轮廓的可能性就越大。

当将液滴放置在表面上时，液滴会迅速到达一个明显的平衡位置，对于小的液滴，该位置只能由接触角和半径来定义。

该研究证明了咖啡环的存在或不存在可以通过悬浮液中颗粒的初始体积分数以及悬浮液在目标表面上形成的接触角来单独预测。利用这一发现，在后续应用中便能够使用大量液滴从接触角计算模型来预测咖啡环的形成。

这一计算模式能够推动制造业和医疗诊断技术的迭代优化。尤其是在发现贫血和其他血液疾病的治疗方法方面，这一技术可能会在血液诊断领域打开一扇新的大门。

参考资料：

https://scitechdaily.com/physics-mystery-behind-coffee-ring-formation-uncovered/

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.01.092

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