@Sidney Nagel

桌面上晾干的污漬，濺落在人行道上的雨滴，一堆滑動的沙礫。這些現象很少引起物理學家的關注，因為它們似乎平凡無奇，缺乏根本意義。同時，這些日常事件也往往難以理解。

它們失衡無序，超出了普通物理學家的理解范圍。

但令內格爾震驚的是，當人們觀察周圍的世界時，這些最簡單的問題卻沒有答案。

撰文 | Charlie Wood

物理學家以關心最宏大的問題而聞名：宇宙的形成、黑洞的碰撞、時間和空間的本質。但在芝加哥大學的辦公室里，西德尼·內格爾關注咖啡漬、交通堵塞以及“大自然運作的所有方式，而不僅僅是那些聽起來深奧難懂的問題”。

20世紀70年代，他的職業生涯始于研究玻璃結構——這是凝聚態物理學的一個傳統課題。之后，他又將研究范圍拓展到物理學界普遍忽視的、更為奇特、更為柔軟的物質形態，并成為軟物質物理學領域的先驅之一。

內格爾和他的同事們發展了“堵塞”理論，從而解釋沙粒和交通的流動（或不流動）。他們還偶然發現了液滴和飛濺物中的新現象。

“我始終堅信，只要你足夠仔細地觀察任何事物，就能發現新的寶藏，”內格爾說道。

盡管他的工作頗具異端色彩，但卻影響深遠，廣受贊譽：內格爾于1999年榮獲凝聚態物理學領域最令人垂涎的獎項——巴克利獎，并于2023年榮獲美國物理學會杰出研究成就獎章，這個獎項有時被稱為“物理學的終身成就獎”，表彰“在促進我們對物理宇宙各方面的知識和理解方面做出最高水平貢獻的人”。

在研究過程中，他不遺余力地捕捉賞心悅目的視覺效果。他實驗的圖像曾將博物館的墻壁裝飾一新，這項成就似乎至少讓內格爾和他的發現一樣感到自豪。“當人們看到墻上的這幅圖像時，我希望它能讓他們感到更加充實，”他說。“重要的是，這需要一位完整的人——一個能夠同時欣賞藝術和科學的人——去欣賞它。它不僅僅局限于某一方面。”

今年三月，在阿納海姆舉行的美國物理學會（APS）會議上，《量子》雜志采訪了內格爾。坐在加州陽光下的石凳上，內格爾談論了咖啡漬、意想不到的飛濺，以及美學在他科學實踐中的作用。

（采訪內容經過精簡和編輯，以便于理解。）

《量子》雜志：您被引用次數最多的論文是關于咖啡滴在臺面上留下的環狀污漬的。是什么讓您對這些污漬感到好奇？

內格爾：我這個人不太愛整潔，而且每天早上都需要喝咖啡。所以有一天，我正坐在那里等咖啡因發揮作用，突然發現我的桌面上沾滿了前一天留下的咖啡漬。我開始納悶：“它們為什么看起來這么奇怪？”

為什么咖啡（以及其他液體）滴干后會留下深色的環狀痕跡

《量子》雜志：它們看起來有什么奇怪之處？

內格爾：想象一下，一滴液體，中心高，邊緣低。所以，咖啡會更多地出現在液滴的中間。那么，當它干了之后，污漬應該在中心顏色更深，邊緣什么也沒有。但我桌面上的污漬卻恰恰相反。所有的咖啡，都出現在環狀痕跡的外邊緣。我們問了很多人為什么會這樣，每個人的答案都不一樣。

《量子》雜志：你是怎么弄清楚是怎么回事的？

內格爾：如果你想了解某件事的成因，你應該能夠做到消除它。但這種環狀現象非常頑固。它幾乎無處不在——例如，冬天踩在靴子上留下的鹽漬，你就能在上面看到。鹽會聚集在水滴的邊緣，這些水滴是由靴子上滴落的雪泥融化而成的。隨著水滴蒸發，它們會留下一圈圈白色的結晶鹽。

最終，我的一個學生用玻璃片蓋住水滴的外緣，只露出中心，從而阻止了邊緣污漬的形成。這才是思考這個問題的關鍵。

《量子》雜志：那么，為什么咖啡最終都會聚集在邊緣呢？

內格爾：我們一直假設水滴蒸發時的整體形狀保持不變，只是大小均勻縮小——這一理論可以追溯到19世紀初托馬斯·楊的研究。但事實并非如此。水滴被固定在表面，然后從各個方向蒸發，尤其是從邊緣蒸發。任何從邊緣蒸發掉的物質都必須通過內部的流動來補充。這會將咖啡拉到外部，留下主要在邊緣的污漬。

（該研究發表于1997年頂級期刊nature）

內格爾的辦公室里擺放著各種各樣的玩具和演示品，比如一個用于研究芥菜種子如何落下的裝置（頂部中央）。

《量子》雜志：你還發現了什么關于液體的事情？

內格爾：我們開始思考，當一滴水滴撞擊表面并濺成一堆小液滴時會發生什么。所以我們首先開始記錄這些美麗的濺水視頻。

但是，是什么導致了濺水？我能控制它破碎的方式嗎？我們想到在真空中嘗試一下。由于沒有空氣來減緩水滴的速度，我們覺得濺水會更大、更劇烈。

《量子》雜志：發生了什么？

內格爾：濺水消失了！我們笑得前仰后合，倒在地上。當我們終于站起來時，我們開始認真研究這種效應。人們對濺水的研究已經持續了100年，卻沒有人想到要把空氣抽出來。這或許是一個愚蠢的實驗！空氣的密度比水小1000倍，在直覺上不應該造成很大的影響。

《量子》雜志：為什么會這樣呢？

內格爾：我們當然沒有立刻想到這一點，但通過排除法，我們最終鎖定了液滴撞擊表面后試圖向外膨脹與試圖阻擋液滴的空氣之間的競爭。通常情況下，當液體向外膨脹時，一些空氣會從液滴下方滑落，將其稍微抬高。現在，液滴的邊緣處于漂浮狀態，因此它的運動速度比仍然粘在表面時要快得多。液滴會以日冕的形式向外噴射，然后日冕會破碎。沒有空氣，液滴會停留在表面，永遠沒有機會濺起。所以，地球上可能會濺起水花，但在月球上卻不可能。或許在至少有一點大氣層的火星上，水花會濺起。

在左側的慢動作視頻中，一滴液體從空中落下，撞擊表面，濺起形成一個日冕形狀，日冕碎裂成許多微小的液滴。在真空中（右圖），不會發生濺射，液滴在表面平滑地鋪展。

《量子》雜志：你也觀察過沙子。沙子有什么奇妙之處呢？

內格爾：我們來做個小實驗。把沙子倒進一個容器里。它的密度是多少？好，你寫下你的想法。現在我輕敲容器幾次。高度下降，密度上升，而且上升幅度不小！在某些情況下，可能會增加10%。

任何“正常”物質都不會這樣表現。我給你一容器水，你知道它的密度。但如果我給你一管顆粒狀物質——某種程度上來說，這幾乎包含了你吃的所有東西，比如米粒——我們該如何描述我給你的東西？除非我告訴你我對這個系統做了什么，也就是說，我搖晃了多少次，輕敲了多少次，否則你不會知道。

《量子》雜志：那么，我們應該如何看待沙子呢？

內格爾：它是一個美麗的例子，它展現了無序的、遠離熱平衡的物質。溫度通常通過推動分子運動，使氣體或液體達到平衡狀態。但你必須把房間溫度提高一萬億倍，才能有足夠的能量讓空氣開始重新排列沙粒。所以從這個意義上講，這就像沙子非常冷。我們可以把它放在那里，溫度也無法使它達到平衡狀態。

從這個意義上講，它很像玻璃，這也是我在70年代開始研究的。玻璃也是一種無序的、非平衡的物質，在室溫下會在某種程度上（但并非完全）凍結。

在研究液滴脫離時所呈現的形狀時，內格爾用哈蘇膠片相機和高速閃光燈拍攝了圖像。下落的液滴遮擋了激光，從而觸發了閃光燈。

《量子》雜志：您還研究過各種其他現象——水滴下落時的形狀，以及材料以實用方式變形。您認為自己是哪種物理學家？

內格爾：真奇怪。

我不知道該如何回答這個問題。顯然，我喜歡我認為美觀的事物。這對我來說非常重要。

我們花費了大量時間，試圖拍出完美的水滴照片——不僅僅是物理效果，還有這種現象難以言喻的美。我是人，不僅僅是物理學家。所以我希望我們所做的事情在科學和美學層面上都能吸引我。親眼目睹自己所做的事情，而不是像某些物理學領域經常發生的那樣，被隱藏在某個黑匣子般的儀器后面，也會帶來一些成就感。

《量子》雜志：物理學的一個主要驅動力是將世界簡化為它的基本規則和組成部分，但您卻選擇了不同的方向。為什么？

內格爾：我們被教導要尋找越來越精細的解釋，從而引領我們走向更深層次的理解。我非常尊重物理學的這一方面。我的妻子是一位粒子物理學家。但我相信，我們的工作遠比這更豐富。對我來說，大自然運作的所有方式都很重要，而不僅僅是那些聽起來深奧難懂的方式。

從某種意義上說，我認為從事所謂的“基礎”物理學就像堅守“現代主義”建筑，形式必須服從功能——兩者是同一的。但令人興奮的結構可以通過擺脫這種單一理想并探索例如后現代建筑來產生，在后現代建筑中，建筑可以擁有不受其功能嚴格限制的方面。我們曾經封閉物理學，不去觀察這些更奇特的東西，但這些東西也是世界的一部分。宣稱只有一種可接受的方式來選擇值得研究的問題，未免有些自命不凡。

《量子》雜志：我感覺到你在職業生涯中面臨過一些阻力或質疑。

內格爾：是的，偶爾會有。有些人對我的研究有些不滿，因為他們認為我研究的某些主題不夠“嚴肅”。另一些人則因為我強調一些在他們看來不科學的方面而感到不滿。我們本來可以不必為了完善攝影技術付出那么多努力，也能捕捉到同樣的物理現象，而這讓人們感到不滿。他們說：“你是科學家，不應該關心這些事情。” 但對我來說，盡可能多地關注人類探索的方方面面很重要。

這就是為什么對我來說，終身教職的意義如此重大。大多數地方不會鼓勵我從事這類研究，但芝加哥大學對我很好。我的意思是，你會給一個研究咖啡漬的人終身教職嗎？

《量子》雜志：我可能會。這篇論文已被引用超過7000次，其中包括開發噴墨打印機和納米技術的工程師。

內格爾：現在也許會，但當時不會。人們不喜歡我做的事情，他們也告訴我了。但是，你知道，我玩得很開心。

內格爾是軟物質物理學領域的先驅之一。今天，它是物理學的主要焦點，但幾十年前，它不僅鮮為人知，而且被鄙視。

咖啡環效應的妙用

"咖啡環"效應不僅在實驗室中用于研究液體在固體表面的行為和特性，在噴墨打印、生物醫學、微流控制系統等領域也有一定的應用價值。

1、微流體技術

微流體技術是現代生物分析和醫學診斷的重要工具，利用咖啡環效應，研究人員能夠在專業設備中操控和分離細胞等很小的顆粒。

溶劑蒸發過程空氣-液體界面粒子自組裝示意圖

2、涂層技術

咖啡環效應在涂層技術中也具有重要應用。傳統的方法總會存在涂層不均勻的問題，而利用咖啡環效應可以幫助涂層變得更均勻。在涂層過程中，控制液滴的蒸發速率，可以使涂料中的顆粒分布得更均勻致密，從而得到效果更好的均勻涂層。

雙液滴涂層技術示意圖

3、噴墨打印

咖啡環效應可以調控噴墨打印過程中墨水的干燥過程。通過調節噴墨的速度、墨滴大小和溫度等，可以引導墨水中顆粒在液滴邊緣聚集，從而打印出更清晰分辨率更高的圖案。這種技術可以用在需要高精度的圖像打印，如藝術印刷、照片打印等方面。

通過利用"咖啡環"效應打印特定圖案

噴墨制備高質量光子晶體圖案

參考文獻

[1] Finding Beauty and Truth in Mundane Occurrences

[2] Deegan, R., Bakajin, O., Dupont, T. et al. Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops. Nature 389, 827–829 (1997). https://doi.org/10.1038/39827

[3] 咖啡環效應：液滴蒸發的奇妙現象

本文經授權轉載自微信公眾號“3磅宇宙”。

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