一滴咖啡的力學奧秘
澳大應用物理學教授周冰樸談咖啡環效應

澳大人談科普系列報導

文:葉浩男、校園資深記者梁馨元   |    圖:校園記者洪瑄粗

當你不小心將一杯咖啡濺到桌上時,除了連忙清理、怪責自己粗心大意外,還能從中發現一個有趣的物理現象。在澳大曹光彪書院,熱愛咖啡的澳門大學應用物理及材料工程研究所助理教授周冰樸主持了一場講座,一解“咖啡環效應”的奧秘。

一滴咖啡的蒸發背後也蘊藏著力學現象

咖啡與力學

一滴咖啡滴到桌上後會向四周擴散,留下一個環形的痕跡。整片污漬在風乾後,顏色是由內至外逐漸加深,呈現出一道深色的外環,即是所謂的“咖啡環”。到底這些咖啡漬為甚麼會游走到外圍呢?周教授說,日常生活中液體滴在紙上或者桌面上時,液滴與接觸面的邊界一般而言就已經是固定了的。由於外圍的水分蒸發得較快,中間及內部區域的液體則需要不斷地流向邊緣補充至邊界線,同時將液滴內的大多數溶質攜帶到邊緣。因此,當咖啡滴風乾後,咖啡漬就堆積到邊上。除了咖啡,不少有固體溶質的液體蒸發後也有類似情況,茶就是例子之一。

澳門大學應用物理及材料工程研究所助理教授周冰樸

抑制咖啡環效應

1997年,芝加哥大學的研究團隊在科學期刊《自然》發表有關咖啡環效應的研究,引起不少專家嘗試抑制液體的咖啡環效應,在印刷和醫療方面尤其突出。在印刷行業,從業者希望減少油墨在紙張上的咖啡環效應,避免印刷出來的文字和圖案深淺不一。在生物傳感技術方面,學者希望降低液體的咖啡環效應,通過對液滴中數量有限的被檢測物質的有效濃縮,以提高檢測極限和改善醫學診斷。

曹光彪書院舉行“日常生活中的咖啡環效應”講座

周教授表示,要減弱或消除液體的咖啡環效應,最簡單常見的方式是在液滴中加入另一種表面張力不同的液體。“就如拔河一樣,當兩種表面張力不同的液體接觸時,表面張力強的液體會將表面張力弱的液體拉過來,這種現象稱為馬倫哥尼效應。如果你在一盆佈滿胡椒粉的水中,只要滴一滴肥皂水,那些胡椒粉會被瞬間拉到邊緣,因為一般而言肥皂水的表面張力會比純淨水的低得多。”而表面張力梯度所產生的馬倫哥尼效應則可以很好地平衡液滴蒸發過程中的外向毛細流動,實現對溶質排布的有效調控。

周教授的研究團隊近來找到一種新方法抑制咖啡環效應

周教授又說,他的研究團隊近來找到一種新方法抑制咖啡環效應:“馬倫哥尼效應是偏向化學的方式,而我們則通過一張磁性的彈性薄膜襯底,通過讓薄膜表面產生週期性的往復振動,在蒸發的過程中不斷縮小液滴與襯底的接觸線面積,使得液體可以不斷地縮小自身的直徑,並帶動其中分散的顆粒或者分子往中心聚集以避免咖啡環現象的產生。”

周教授喜歡借助日常生活的例子,激起學生對科學的興趣

科學源自生活

周教授除了參與科研和指導博士生,也有教授通識課程“全球社會綠色能源”,面向澳大各個學院的學生。周教授喜歡借助日常生活的例子,激起學生對科學的興趣。“其實這次講座也是想讓大家知道,實驗室的東西大部分都是從生活中來的,背後都充滿著很簡單的物理原理。”他鼓勵學生多觀察、多發問:“多知道點科普知識總不是壞事,一來可以拓寬視野,二來有助於鍛煉思維,會去想‘其實一加一未必等於二’這樣的問題。”