主题：咖啡?DNA?印迹

寒冷冬日最适合捧一杯热茶或者咖啡，暖暖地坐在屋里看书品味。不知你是否偶尔也有这样的时候，沾一点红茶或咖啡，在桌子上画一个图形（又或者一些不听话的液滴从杯子里跑出来），然后看着它墨迹渐干？可曾注意过这些深色的液滴，过了一段时间之后，是什么样子？

如果你对自己的经验足够有自信，来，做个小测验：请问以下印渍中，哪个或哪些属于咖啡？

答案揭晓——

不同情况下液体干掉之后留下的印记：（a）咖啡，（b）胶体，（c）盐水，它们干掉后都会在原来液滴的边缘形成一圈物质富集的线条。线条的深浅和液滴的形状还有周围的环境有关系，同样都是咖啡，（d）里面显示了液面边缘不同弯曲情况下形成的线条深浅不同，（e）里面显示了挨着的液滴形成的印记，它们互相靠近的地方线条更浅一些。在这些图里面的短横线都代表一厘米的长度 [2] 。

关于液滴图案的科学研究

事实上，以上图片来自芝加哥大学佛兰克研究所（James Franck Institute）的Witten教授等人的一个研究。他们注意到了这种咖啡干掉后形成的周围一圈颜色厚重，中间相对浅的多的印迹。通过一系列实验和理论分析，发现形成这样的图案有两个要求：（1）液滴的液面和平面的接触线相对固定，还有（2）液滴四周的蒸发比中心部分更强烈。

就像下面图里面表示的那样，如果液面和平面接触的位置不固定，那么随着蒸发的进行，液面会从A移动到B的位置（a），这样在液面经过的地方，会形成比较均匀的痕迹[1]。水滴在特富龙（teflon，一种不粘锅的涂层材料）上干掉就会形成这样的痕迹。但日常生活中，我们看到的大部分情形并非如此。生活中液滴落的平面一般和液滴的接触方式能够（通过表面张力）把接触线固定住（b），这是形成这种边缘的深色线条印迹的一个重要条件。

即使接触线被固定住了，如果整个液滴边缘和中心的蒸发一样强烈的话，那么也不能形成深色的线条。如果用只有中间有孔的小盖子盖住液滴，使得水蒸气只有通过中间才能散发出去的话，那么周围一圈的线条会变得很不明显。这是因为，在液滴边缘的地方空间比较开阔，蒸发的水蒸气扩散起来比较容易，所以水分的蒸发效果比中间强，液滴中间的水分就会向着这些地方移动，从而带动着悬浮在水中的各种小颗粒向着边缘移动[2]。这个过程持续下去，最终形成了液滴边缘厚厚的线条。在上面三叶草形的液滴和互相挨着的液滴形成的图案中，液滴边缘凹进去的地方和两个液滴挨着的地方线条比较浅，也可以说明这一点。

动手做个松鼠试试

当然，类似的实验大家都可以做，甚至经常都在无意间做了，茶水在杯子里面放的久了，就可以在液面和杯子内壁接触的位置形成一圈深色的污垢，玻璃上的水珠干掉后也可以留下这样的痕迹。下面是用黑咖啡画出来的松鼠吃松仁图案，让我们来看看它是怎么随着时间慢慢变干的，痕迹是怎么形成的。

熟悉科学松鼠会（http://songshuhui.net）的朋友们肯定都知道这个标志性图案。在盘子里我们可以用咖啡之类的液体画出吃松仁的松鼠来。刚画出来的时候，由于表面张力的作用，咖啡就倾向于减小表面的面积。所以在松鼠的尾巴尖、头部、屁股的地方，咖啡比较多，在尾巴中间和背部中间的地方，咖啡就比较少。很快，松鼠的背就快干了。

半干时候的样子：图案的边缘可以看到清晰痕迹，除松鼠的尾巴、屁股、头部还有松仁之外，基本上已经干了。图案的周围边缘处有很清晰的线条，显示出物质在这些位置富集起来。在松鼠的尾巴中间或者脖子的位置，随着蒸发的进行，液面的位置不能固定下来，所以水蒸发后留下的物质均匀地铺在液面经过的地方。

松鼠图案完全干透的样子，咖啡较多的尾部、屁股、头部、松仁部位，边缘的线条非常清晰。注意松鼠的脚部，尾巴和背部交界的地方要比屁股的位置线条浅很多，这是由于所在位置液面弯曲的情况不同，向外弯曲的地方比向内弯曲的地方蒸发强烈导致的。

DNA聚集，美如羽

也许是受此现象启发，现在在科罗拉多大学任教的Ivan Smalyukh教授曾经做过一个类似的实验。把含有DNA的溶液液滴在玻璃板上，在干掉的过程中DNA分子也会在液滴的边缘聚集起来，拿到显微镜下观察的时候，可以得到像下面的图像。左边的小图是整个液滴痕迹在显微镜下的样子，显示DNA分子集中在边缘的地方；右边是通过偏振光显微镜和荧光显微镜图像的合成结果[3]，（关于偏振光，可以参考八爪鱼的《吉赞和偏振光》[4]）。

DNA液滴印迹的显微镜观察。

从这些结果可以看出，在DNA分子聚集形成的印迹里面，物质的光学性质有特定的取向性（参考阅读水龙吟的《彩色花纹背后的秘密》[5]），DNA分子在这里形成了规则的机构，在条带内分子是互相平行排列的。根据这些认识和更详细的实验测量，就可以得出这样结构形成的过程。

大家知道，在溶液里DNA可以看成一根细长的线（在这个实验里，每个DNA分子是16.3微米长）。如上图显示的那样，最开始的时候， 靠近液滴边缘的DNA分子保持着和液面接触线平行，散布在液滴里。随着蒸发的进行，边缘的DNA分子越来越密（a-d），它们不能保持互相平行的结构，而是形成曲折的条带（f），每个条带内部，相邻的DNA分子保持平行的状态。这样，在偏振光显微镜下，就可以看到一条条带状的图案。