3分で簡単「コーヒーリング効果」なぜコーヒーのシミはリング状に？元塾講師がわかりやすく解説

ライター／Ayumi

理系出身の元塾講師。わかるから面白い、面白いからもっと知りたくなるのが化学！まずは身近な例を使って楽しみながら考えさせることで、多くの生徒を志望校合格に導いた。

1.コーヒーリング効果

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今回のテーマは私たちの生活において誰しも一度は目にしているであろう「リング状のシミ」について解説していきます。上の写真のように、コーヒーをこぼしてしまったことはあるでしょうか。バシャっとこぼしてしまったもの、滴状のもの、コーヒーカップの底の形をしたもの…シミには様々な形がありますね。しかしよく見てみてください。どのシミも外側の縁が濃くなっているように見えませんか？カップの底の形をしたものにおいては円の内側と外側両方の縁部分が濃くなっているのがわかりますね。

コーヒーリング効果(コーヒーリング現象)とは、粒子を含む液体が蒸発した後に見られるリング状の蒸発残渣物のことです。コーヒーは水とその他の物質を含む混合物ですね。このリングはその中に含まれる粒子の集まりであり、コーヒーの濃度が高ければ高いほどリングの部分は濃く太く変化します。

1-1.コーヒー以外の液体でも

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これはコーヒーのシミがきっかけになったことから「コーヒー」リング効果とされていますが、コーヒー以外の液体でもこの現象は見られます。例えば緑茶、紅茶、ワイン、醤油など様々です。

試しにノートに色付きの飲み物を一滴垂らしてみましょう。乾くまで少し時間がかかりますが、リングができる様子を観察してみてもいいですね。

2.コーヒーリングはなぜできる？

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それではなぜこのようなリングができるのか考えてみましょう。

リングができるのは液滴を放置して自然乾燥したときです。液体は表面張力によってドームのような形をとります。この図は液滴を横から見たときの図です。紙や机の上に落ちた液滴は空気と面する部分から徐々に蒸発していきます。また、周縁部分が最も乾燥速度が速いところです。そのため滴内部では中心から縁への流れが生じています。水は徐々に蒸発しますが、液体に溶け込んでいる粒子はそのまま滴内部にとどまるため、この流れに沿って粒子は縁へと移動していくのです。全ての水が蒸発してもこの粒子の集まりはリング状に残り、コーヒーのように色素を含むものはよりくっきりした跡ができるでしょう。

3.印刷技術への利用

コーヒーリング効果がどんな技術に活かされているのか気になりますよね。その1つが印刷技術です。

プリンタやコピー機を使って何かを印刷するとき、色ムラが出てしまってはきれいさが半減してしまいますよね。コーヒーリングのように印刷物の縁だけ濃くなった図やイラストを見たことがある人は少ないでしょう。それはコーヒーリング効果がなぜ起こるのか、どうしたら起こらなくなるのかという発想が活かされているからなのです。

3-1.インク成分の調整

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コーヒーリング効果の検証実験によって、同じコーヒーでも無糖のものはリングができる一方、砂糖を入れたコーヒーではリングができないことがわかっています。リングができるのは水滴から水が蒸発していく過程でコーヒーに含まれる粒子が縁に流れるのが理由でしたね。しかし砂糖入りのコーヒーでは滴の縁で糖が析出していることが明らかになりました。これによって滴内部の粒子が外側へ流れていくのが抑制され、結果としてリングが生じなかったというわけなのです。

これを応用し、インクの成分を調整することで砂糖入りコーヒーのようなコーヒーリング効果の抑制が可能になります。より鮮明な印刷を可能にするための技術の開発への応用がされているのです。

3-2.プリント紙の調整

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インクではなく、用紙に工夫を施すことでもコーヒーリング効果の抑制を図ることができるでしょう。例えばハガキの用紙には普通紙やインクジェット紙などの種類があります。近年ではおうちプリントといった自宅で簡単にできる年賀状印刷などが知られていますよね。このためのハガキを買うとき、郵便局でハガキの種類について尋ねられるでしょう。

コーヒーリングが生じる原因の1つとして、液体が蒸発するまでの時間が考えられます。水滴が一瞬にして蒸発する、あるいは紙に吸収されれば滴内部の粒子の移動は起こりません。つまり、水を弾きやすい材質ほど乾くまでに時間がかかりリングもできやすくなるというわけです。インクジェット紙はインクの吸収率をよくするための加工がされているため、液だれや滲みを防ぐことができます。これは同時にコーヒーリング効果の抑制でもあるのです。

プリンタはインクと紙、両方を加工することでコーヒーリング効果の抑制が可能です。水垢で考えれば雨や飛び散った石鹸カスがインク側、車のボディや鏡が紙側ですね。この場合、インク側をどうにかすることはできません。しかし紙側をコーティングしたり、汚れの混じった水を洗い流した後に水滴をすぐふき取るなどの手間を加えることで対策が可能ですよ。