咖啡圈效应

在物理学中，咖啡环是一滩充满颗粒的液体蒸发后留下的图案。 这种现象以沿咖啡溢出周边的特征性环状沉积物命名。 洒红酒后也很常见。 这些和类似环的形成背后的机制被称为咖啡环效应，或者在某些情况下，咖啡斑效应，或简称为环斑。

咖啡环图案源于液滴蒸发引起的毛细管流动：从边缘蒸发的液体由内部的液体补充。 由此产生的向边流可以将几乎所有分散的材料带到边缘。 作为时间的函数，该过程表现出高峰期效应，即在干燥过程的最后阶段边缘向流的快速加速。

蒸发在液滴内引起 Marangoni 流。 如果流动很强，则会将粒子重新分配回液滴的中心。 因此，要使颗粒在边缘积聚，液体必须具有微弱的 Marangoni 流，或者必须发生某些事情来扰乱流动。 例如，可以添加表面活性剂以降低液体的表面张力梯度，从而破坏诱导流动。 水一开始具有微弱的 Marangoni 流，然后被天然表面活性剂显着降低。

悬浮在液滴中的颗粒与液滴的自由表面的相互作用对于形成咖啡圈很重要。 当液滴蒸发时，自由表面坍塌并捕获悬浮颗粒……最终所有颗粒都被自由表面捕获并停留在那里，直到它们向液滴边缘移动。 这一结果意味着表面活性剂可用于通过改变液滴的表面张力来操纵溶质颗粒的运动，而不是试图控制液滴内部的整体流动。

当需要均匀涂抹干燥沉积物时，例如在印刷电子产品中，咖啡环图案是有害的。 它可以通过向引起咖啡环效应的球形颗粒中添加细长颗粒（例如纤维素纤维）来抑制。 添加的颗粒的尺寸和重量分数可能小于原始颗粒的尺寸和重量分数。

据报道，控制液滴内部的流动是生成均匀薄膜的有效方法； 例如，通过利用蒸发过程中发生的溶质 Marangoni 流。

低沸点和高沸点溶剂的混合物被证明可以抑制咖啡环效应，将沉积溶质的形状从环状改变为点状。

控制基板温度被证明是抑制由水基 PEDOT:PSS 溶液液滴形成的咖啡环的有效方法。 在加热的亲水性或疏水性基材上，会形成带有内部沉积物的较薄环，这归因于 Marangoni 对流。

控制光滑表面上的基板润湿特性可以防止滴接触线的钉扎，因此，这将通过减少接触线上沉积的颗粒数量来抑制咖啡环效应。 超疏水或液体浸渍表面上的液滴不太可能具有固定接触线，并且会抑制环形成。 在液滴接触线上形成油环的液滴具有高流动性，可以避免在疏水表面形成油环。

交流电压电润湿可以在不需要添加表面活性材料的情况下抑制咖啡渍。 由于接触线附近的毛细管力，反向粒子运动也可能会降低咖啡环效应。 当几何约束条件下毛细管力超过向外的咖啡环流时，就会发生逆转。

咖啡环的下限尺寸取决于液体蒸发和悬浮颗粒运动之间的时间尺度竞争。 当液体在三相接触线附近的蒸发速度远快于颗粒运动速度时，咖啡环就无法成功形成。 相反，这些颗粒会在液体完全蒸发后均匀地分散在表面上。

对于尺寸为 100 nm 的悬浮颗粒，发现咖啡环结构的最小直径为 10 μm，比人类头发的宽度小约 10 倍。 液体中颗粒的形状是造成咖啡环效应的原因。 在多孔基材上，渗透、粒子运动和溶剂蒸发之间的竞争决定了最终的沉积形态。

液滴溶液的 pH 值会影响最终的沉积图案。 通过考虑 DLVO 相互作用（例如静电力和范德华力）如何改变粒子沉积过程来解释这些模式之间的转变。