コーヒーの染みはなぜいつも端の部分が濃く、内側の部分が薄くなるのでしょうか?その背後には興味深い科学的謎がある

人生において、コーヒーやお茶、飲み物などをうっかりこぼしてしまう経験は誰にでもあるでしょう。忙しくて慌てているとき、うっかりこぼしてしまったり、テーブルにコーヒーをこぼしてしまったりすると、乾いた後に外側が黒く内側が明るい輪状のシミができるという不思議な現象に気づいたことはありませんか。

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コーヒーや紅茶などの淹れたての飲み物は、透明な純水と違って、ある意味溶液（厳密には溶液と懸濁液の混合物）に分類でき、水に溶けている物質が直感的に色を現します。

私たちがよく飲むコーヒーを例に挙げてみましょう。濃い茶色は、コーヒー豆を焙煎して抽出した後に出るカーボンブラックの物質によるものです。コーヒーを淹れた後、これらの物質は液体の中に浮遊するいくつかの小さな粒子になります。これは、誤って衣服やテーブルに落としてしまったコーヒーや紅茶の染みの場合です。

これらの汚れの色は小さな粒子によって引き起こされることはわかっていますが、これらの小さな粒子が最終的にリングに変わるのはなぜでしょうか?

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コーヒーリング効果はどのようにして知られるのでしょうか?

ほとんどの普通の人にとって、コーヒーリング効果は人生における単なる偶然の現象です。しかし、物理学者の目には、この背後には多くの謎が隠されている。 1997年、シカゴ大学の物理学者シドニー・ネーゲルとトーマス・ウィッテンらが「コーヒーリング効果」に関する論文をネイチャー誌に発表した。

この論文では、コーヒーリング効果が初めて正式に説明されましたが、論文の焦点は依然として浮遊する球状粒子にありました。その後、同様の研究が深まるにつれ、浮遊粒子の形状の役割が徐々に理解されるようになりました。

その後も、「コーヒーリング効果」を打ち破る方法についての研究成果が次々と出てきました。例えば、ペンシルバニア大学の物理学者チームは、溶液中の粒子の形状を変化させてコーヒーリング効果を破壊し、固体粒子層の均一な堆積を実現する新しい方法を見つけたいと考えています。

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「コーヒーリング効果」の原因

コーヒーリング効果はコーヒーにちなんで名付けられていますが、広義には「溶液」が固体表面で蒸発するときに起こる現象であるはずです。

コーヒーの輪に代表される観察可能な色の輪の形成プロセスも、比較的直感的です。溶液をテーブルや紙の上に落とすと、液滴の蒸発によって比例して徐々に縮小する円が形成されるのではなく、外側に溶質粒子が多く、内側に溶質粒子が少ないリング形状が形成されます。

画像出典: Chemical Instrument Network

これは、液滴内の水が蒸発するときに、テーブルと液体の間の固体-液体界面と、液体と空気表面の間の気液界面との間のさまざまな相互作用の影響を受け、液滴のさまざまな位置で水の蒸発速度が異なり、コーヒーリングの形成が促進されるためです。

デスクトップまたは紙と液滴との界面では、水の蒸発速度は液滴と空気との界面よりも速くなります。このようにして、液滴の中央にある水分子が溶質と粒子を液滴の端とデスクトップまたは紙に運び、補充します。最後に、水が蒸発した後、小さな溶質粒子が端に蓄積し続け、「リング」を形成します。

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小さな発見と大きな応用

コーヒーリング効果は、生活の中で興味深い小さな現象であるだけでなく、その出現は実際に人々の生産と生活にいくつかの厄介な問題をもたらします。例えば、プリンターのインクの吐出ムラも「コーヒーリング効果」の現れです。

この問題を解決するために、科学者たちは液滴が蒸発した後に均一な固体層を形成する方法を探し始めました。その後、研究者たちはこの現象を解決するには、浮遊粒子の特性を変える必要があることを発見しました。科学者たちは、粒子の形状が異なると、空気と液体の界面にある膜の特性が変化し、蒸発プロセスに影響を与える可能性があることを発見しました。

同じ条件下では、楕円形の粒子は空気と液体の界面を変化させます。この研究はまだ完全には成熟していないが、科学者たちは浮遊粒子の形状を変えることで「コーヒーリング効果」を除去することに取り組んでいる。しかし、この発見は粒子の形状が蒸発に与える影響を直接的に明らかにし、印刷や塗装の方法を改善することに効果的に導きました。

科学者たちは、さまざまな形状の粒子が蒸発に与える影響を研究している

ソース | 「油でコーティングされた表面上の液滴蒸発の制御による合成」

さらに、コーヒーリング効果は生物学や医学の分野でも「輝いて」います。医療診断において、科学者は「コーヒーリング効果」とバイオセンサー技術を組み合わせて、唾液や血液などの体液中のバイオマーカーを検出します。これを基に、米国ヴァンダービルト大学の研究者らはマラリアを迅速に検出する方法を開発した。

マラリアは感染力が極めて強い病気であるため、いかに早く検出するかが感染拡大の予防と抑制に重要な手段となります。この検出方法では、研究者は検査対象の液体に 3 種類の粒子 (赤く蛍光を発するもの、緑に蛍光を発するもの、磁性があるが蛍光を発しないもの) を加えます。これら 3 つの粒子を含む水滴が磁場の影響下で乾燥すると、蛍光を発する 2 種類の粒子が水滴の端に集まり、緑色と赤色の光が重なり合った黄色のリングとして現れます。

磁性粒子は、病原体であるマラリア原虫が分泌する特殊なタンパク質と化学反応を起こし、緑色の蛍光粒子と結合します。両方の色の粒子が残り、赤いリングと緑のスポットが表示されます。色と形を判断することで、マラリア原虫感染があるかどうかを最も直感的に判断できます。

画像出典: サイエンスワールド

それだけでなく、コーヒーリング効果により、同じ溶液内の複数の溶質が異なる粒子サイズに応じて分離されるという事実にも人々の注目が集まります。たとえば、コーヒーリングの最も外側に集中している粒子の直径は最も小さく、コーヒーリングの内側の粒子の直径は大きくなります。この原理を利用して物質の分離を実現できます。

ニュートンはリンゴが頭に当たってから、重力に注目し始めました。おそらく科学の謎は、人生におけるこうした微妙な現象の中に隠されていて、人々が探求するのを待っているのでしょう。次回コーヒーを飲んで、コーヒーがテーブルにこぼれてしまったときは、時間をかけてきれいに拭き取り、コーヒーリング効果の新しい使い方を想像してみてはいかがでしょうか。

レビュー｜ミャオ・グアンヤオ（凝縮系物理学博士）

出典: デジタル北京科学センター

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