咖啡就是人生，苦与甜都包含其中
Coffee is life, bitter and sweet are included.
Everyone is familiar with coffee. Especially for students with busy courses, coffee can be a great way to wake up. For me, a cup of hot coffee is the best medicine to save the quality of my lectures when I arrive at class on The morning of August with sleepy eyes. If you have a class at 2:00 in the afternoon, you don't hesitate to become a "coffee warrior" with two cups of coffee a day.
对于咖啡，想必大家都不会陌生。特别是对于课程繁忙的学生们来说，咖啡更是不失为提神醒脑的好方法。对于笔者来说，为了早八，带着惺忪的睡眼来到教室之时，一杯醇香浓郁的热咖啡乃是拯救听课质量的“良药”；倘若午后两点又有课要上，那也只能毫不犹豫地化身一天两杯咖啡的“咖啡战士”了。（bushi）
不知大家喝咖啡之余，有没有经历过这样的困扰：不慎洒落或是沿杯壁流下的咖啡液滴在书本上、在桌面蒸发干燥后，留下环状的污渍，实在是令强迫症感到严重不适！但在烦恼之际，你是否曾经留意过，这种污渍图案的颜色分布并非是均匀的，而是边缘深，中间浅呢？
原理
虽然咖啡环效应在生活中极为常见，但是直到1997年R.D.Deegan等科学家才首次对该现象作出定性解释，提升到科学的高度。后来，A.G.Marin等人于2011年详细地指出了咖啡环效应在咖啡环效应在胶体粒子、纳米颗粒以及分散的大分子组成的系统中的普遍存在性。同年，P. J. Yunker等人在实验中借助表面活性剂在溶剂中制造马诺蒂尼环流，抑制了咖啡环效应的出现。至此，关于咖啡环效应的理论得到了极大的丰富。
要想知道咖啡环的形成原理，那我们就得从表面张力说起了。水分子间具有吸引力，当一个处于液滴表面的水分子想要逃离时，它的“伙伴们”则会拼命挽留它，这在宏观上表现为内聚性，小液滴总趋向于将表面积维持在最小的状态，即趋向于保持球体；而当我们研究固液分界线上的水分子时，外部的固体分子则起到相反的作用——固体分子对水分子的吸引力则是使劲把表层水分子向外拉，这在宏观上则表现为液滴趋向于沿固液分界线（面）铺展开来。当然，液滴落在桌面时，重力也对其产生着作用，使其在桌面流动铺展开来。在这三种力的相互博弈与妥协之下，落在桌面的液滴通常会形成一个类似于球冠的形状。
在液滴蒸发的时候，由于液滴边缘的表面积与体积之比要大于中央区域，液滴边缘的蒸发速度将会比中心快，若液滴落于光滑桌面之上，该液滴的边缘理论上将会不断向中心收缩，直至完全消失。但是在实际的桌面上，粗糙的桌面提供的摩擦力阻止了液滴边缘的收缩，但水分子不断由于蒸发而损失，边缘的水分子只能由中心的水分子补上，这种因液体蒸发而产生的内部对流被称为马兰戈尼效应（Marangoni effect）。在该效应的作用下，咖啡溶质中的固体颗粒将会随着水流被带到边缘，而后固体颗粒在边缘析出得越来越多，留在中心的颗粒越来越少，最终形成我们常见的咖啡环。
抑制方法
要抑制咖啡环的出现，最简单的方法就是更换固体基底。当固体基底的摩擦系数足够小的时候，摩擦力不足以阻碍液滴边缘向中心收缩，固体颗粒最终则将自然地沉积在中心。然而在大多数场景下，固体基底并不容易更换，因此，改变溶液成分是更现实的方法。
改变溶剂显然也是一种可行的方法。当我们使用表面张力较小、挥发速度较慢的溶剂（e.g.乙二醇）时，溶液边缘处的浓度高于中心，液体带着其中的固体颗粒从边缘向中心流动，从而抑制了咖啡环的出现。不过由于食品健康条例等因素，溶剂的成分可能有比较严格的规定，因此我们还需要寻求更多方法。
因此，我们不妨尝试改变溶质。研究人员发现，向含有球状颗粒的液体中加入柱状颗粒，咖啡环效应就会消失。科学家们分析道，较之球状颗粒，柱状颗粒更不容易堆积。当先到的颗粒占据了液滴的边缘时，后来的颗粒则无处可去，只能留在中心区域。这样一来，固体颗粒在沉积时就分布得更为均匀了。
不仅是咖啡，血液等含有细小固体颗粒的液体也具有“咖啡环”效应
结语
如果你认为咖啡环单纯只是恼人的玩意儿，那可就大错特错了。马克思主义认为每件事物都有其对立而统一的两面，科学家经过深入研究后，成功地将咖啡环效应运用于疟疾检测、物质分析与鉴定、电子产品涂层、提高喷墨打印精度等方面。如此司空见惯的现象背后，竟有这样玄妙的作用机理与应用，可见不仅艺术家需要一双能发现美的眼睛，科学家也需要一双能发现物理的眼睛。
参考资料：
[1]魏昕宇.奇妙的咖啡环效应[J].科学世界.2018,(06)：15-18.
[2]林妹平，等.重力对咖啡环效应的影响研究[J].中国科技信息.2019,(13):89-90.
[3]孙加振，等.喷墨打印中“咖啡环”效应的调控与运用[J].化学进展.2015,27(08):979-985.
[4]PikaPikachu.有什么生活中常见的现象背后的物理知识很少有人知道？[OL]知乎.2020-01-07.
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