咖啡是世界上最为流行的饮料之一。每天早餐后喝一杯咖啡，或者在工作间隙和同事一起喝咖啡聊天，已经成为许多人生活的一部分。不过，如果在享用咖啡时不小心洒落到书桌、餐具或者地面上，一定要记得及时清理，否则用不了多久，就会看到一块块深色的污渍。
不过，如果仔细观察咖啡带来的这些污渍，会发现其中的深色部分并非均匀分布成一个圆斑；相反，它们主要集中在曾经被液滴覆盖区域的边缘，而中心的颜色则很浅，让污渍看上去像是一个圆环。这就是著名的“咖啡环效应”。
为什么咖啡液滴干燥后留下的污渍看上去像是一个个环呢？由于咖啡的组成复杂，或许你会猜测，这是其中某种特殊化学物质作用的结果。然而事实上并非如此，大量的观察表明，只要易挥发的液体中有固体微粒悬浮，或者溶解了难以挥发的物质，那么当液滴挥发完毕后，残留下的固体都有可能形成类似的环状结构。咖啡环效应虽然得名于咖啡，其实却是一种相当普遍的现象，它的“幕后推手”究竟是谁呢？
当一滴水落在固体表面的一刹那，有几种力量就开始互相较劲。第一种力量是重力。俗话说，人往高处走，水往低处流。这句话形象地道出了重力对液体的作用。在这里，“低处流”的结果是液滴会在固体表面流动铺展开。然而，当液滴足够小时，重力的影响就微乎其微了。
真正决定液滴命运的是另外两种力量：首先是水分子之间的相互吸引，它会让水滴趋于保持球形；其次是水分子与固体表面分子之间的相互吸引，它的作用恰好相反，会使水滴趋于在固体表面铺展开来。
水分的蒸发会导致水滴的体积不断缩小。由于在水滴的边缘，表面积与体积之比更大，单位体积的水分蒸发的速度更快。因此理论上，我们应该看到水滴的边缘逐渐向中心收缩，液面逐渐变小直到彻底消失。那么，水中溶有的难挥发物质或者悬浮的固体颗粒，例如咖啡中的咖啡因、绿原酸、矿物质、碳水化合物、蛋白质、蛋白黑素等物质，由于无法随水分一起蒸发，那么在液滴干燥后，理应剩下一个颜色大致均匀乃至中间略深的圆斑。
然而，实际上当水滴的边缘开始退却时，会有一只“大手”有力地顶在它的身后，发出明确的信号：“不准后退，必须顶住”。这就是由于固体表面粗糙不平的结构或者化学成分不均一而造成的额外的摩擦阻力。面对这一要求，水滴“面露难色”：“不让后退可以，但边缘的弟兄们在不断地流失，总得补充上去。”
解决这个问题并不困难：既然液滴中心总是比边缘厚，那当边缘的水分蒸发时，一部分水分子就会从中心流向边缘。这样一来，水滴的干燥过程就变得和之前的预想迥然不同：尽管其体积随着水分挥发而不断减小，但液面的直径却可以在相当长时间里，乃至几乎彻底干燥前都大致保持不变。
如果这滴水中含有难以挥发的分子或固体颗粒，那么这些物质就会随着水流不断从液滴中心流向边缘。当水分蒸发时，这些分子或固体颗粒就留在了液滴边缘。这样一来，水滴边缘处析出的固体就会越积越多，而留在中心的分子或固体颗粒则越来越少。当水滴完全干燥时，自然就会看到一个环形的结构。不难看出，咖啡环效应是液体与固体表面相互博弈的结果。
如果是不小心洒落的咖啡液滴，你大概并不会在意它们干燥后究竟是形成圆环还是一个均匀的圆斑，反正都是需要清洗的污渍。然而在许多情况下，我们必须关注咖啡环效应。一个典型的例子是喷墨打印。这项技术的基本原理是将微小的油墨液滴不断喷射到纸张或者其他媒介表面的指定位置，然后令液滴干燥。喷墨打印不仅被用来在纸上打印出高质量的图文，甚至还用在打印电子线路等功能性材料上，是一种在产业中非常重要的加工技术。
显然，在喷墨打印过程中，如果液滴干燥后形成一个个圆环，将会严重降低所打印内容的分辨率，因此绝对不可以对咖啡环效应坐视不管。
那么，我们有什么方法来对付咖啡环效应呢？首先可以想到的是换一种固体基底。我们已经知道，咖啡环效应的起因是固体表面阻碍着液滴边缘在蒸发过程中的移动。而在不同的固体表面上，这种阻力也是有强有弱。如果液滴在阻力比较弱的固体表面干燥，自然就可以抑制咖啡环效应。
例如硫酸铜溶液在石墨表面干燥时会形成咖啡环结构，但如果改在石英玻璃表面干燥，就会形成均匀的圆斑。这是因为石英玻璃对液滴边缘后退的阻碍要弱得多，只是在刚开始收缩时阻挡了一下。在这种情况下，我们自然不必担心咖啡环效应出来捣乱。
然而，很多时候我们无法随心所欲地选择固体基底。此时要想抑制咖啡环效应，就必须在液体的组成上下功夫。例如，来自韩国延世大学的学者尝试将纳米银颗粒分散到液体中制成墨水，然后通过喷墨打印的方式制造电子线路。他们发现，如果选择水和乙醇、正丙醇的混合物作为液体介质，墨水干燥后会呈现出明显的咖啡环效应。然而如果在液体中添加一定比例的乙二醇，墨水干燥后却可以非常均匀。
前面我们提到，水分子之间的相互作用会让水滴保持球形。除了水，其他的液体分子也有同样的本领，这种作用被称为表面张力。乙二醇的表面张力低于水，挥发速度则比水慢得多。当混有乙二醇的水滴在固体表面干燥时，液滴边缘处乙二醇的浓度要高于液滴中心，于是表面张力较低，这会使得液体从边缘流向中心，而分散在其中的纳米银颗粒也自然随之流动。这种流动抑制了固体颗粒在液滴边缘的堆积，从而阻止了咖啡环效应的发生。
研究者发现，抑制了咖啡环效应后，打印出的银线有着更好的导电性能，尤其是在高温情况下。但很多时候添加另一种溶剂未必可行，例如出于环保的考虑，许多产品都会限制有机溶剂的含量，那我们不妨在固体颗粒或者溶质的组成结构上下点功夫。例如，来自美国宾夕法尼亚大学的研究人员发现：本来含有球形聚苯乙烯颗粒的水滴在干燥后会出现咖啡环效应，但换成柱状聚苯乙烯颗粒后，干燥后颗粒便会均匀分布到整个水滴区域中。