Эффект кофейного кольца
В физике « кофейное кольцо » — это узор, оставленный лужицей насыщенной частицами жидкости после ее испарения . Явление названо в честь характерного кольцевого отложения по периметру пролитого кофе . Это также часто можно увидеть после пролития красного вина. Механизм образования этих и подобных колец известен как эффект кофейного кольца или, в некоторых случаях, эффект кофейного пятна или просто кольцевое пятно .
Механизм потока
[ редактировать ]Узор «кофейное кольцо» возникает из-за капиллярного потока, вызванного испарением капли: жидкость, испаряющаяся с края, пополняется жидкостью изнутри. [1] Возникающий ток может переносить почти весь диспергированный материал к краю. В зависимости от времени этот процесс демонстрирует эффект «часа пик», то есть быстрое ускорение потока к краю на заключительном этапе процесса сушки. [2]
Испарение вызывает течение Марангони внутри капли. Поток, если он сильный, перераспределяет частицы обратно в центр капли. Таким образом, чтобы частицы скапливались по краям, жидкость должна иметь слабое течение Марангони или должно произойти что-то, что нарушит течение. [3] Например, можно добавить поверхностно-активные вещества , чтобы уменьшить градиент поверхностного натяжения жидкости, нарушая индуцированный поток. Вода изначально имеет слабую текучесть Марангони, которую затем значительно уменьшают природные поверхностно-активные вещества. [4]
Взаимодействие взвешенных в капле частиц со свободной поверхностью капли имеет важное значение для создания кофейного кольца. [5] «Когда капля испаряется, свободная поверхность сжимается и захватывает взвешенные частицы… в конечном итоге все частицы захватываются свободной поверхностью и остаются там до конца своего пути к краю капли». [6] Этот результат означает, что поверхностно-активные вещества можно использовать для управления движением частиц растворенного вещества, изменяя поверхностное натяжение капли, а не пытаясь контролировать объемный поток внутри капли. В результате может возникнуть ряд интересных морфологий осажденных частиц. Например, было показано, что энантиочистое производное поли(изоцианата) образует упорядоченные массивы сплющенных кольцевых структур. [7]
Подавление
[ редактировать ]
Образец кофейных колец вреден, когда требуется равномерное нанесение высохшего отложения, например, в печатной электронике . Его можно подавить, добавив к сферическим частицам удлиненные частицы, такие как целлюлозные волокна, которые вызывают эффект кофейного кольца. Размер и массовая доля добавленных частиц может быть меньше, чем у первичных. [2]
Сообщается также, что управление потоком внутри капли является мощным способом создания однородной пленки; например, путем использования растворенных потоков Марангони, возникающих во время испарения. [8]
Было показано, что смеси растворителей с низкой и высокой температурой кипения подавляют эффект кофейного кольца, изменяя форму осажденного растворенного вещества с кольцевой на точечную. [9]
Было показано, что контроль температуры подложки является эффективным способом подавления кофейного кольца, образуемого каплями водного раствора PEDOT:PSS . [10] На нагретой гидрофильной или гидрофобной подложке образуется более тонкое кольцо с внутренним осадком, что объясняется конвекцией Марангони. [11]
Контроль свойств смачивания подложки на скользких поверхностях может предотвратить закрепление линии контакта капли, что, следовательно, подавляет эффект кофейного кольца за счет уменьшения количества частиц, осаждающихся на линии контакта. Капли на супергидрофобных или пропитанных жидкостью поверхностях с меньшей вероятностью будут иметь закрепленную линию контакта и будут подавлять образование колец. [12] Капли с масляным кольцом, образующимся на линии контакта капли, обладают высокой подвижностью и позволяют избежать образования кольца на гидрофобных поверхностях. [13]
переменным напряжением Электросмачивание может подавлять пятна от кофе без необходимости добавления поверхностно-активных веществ. [14] Обратное движение частиц также может уменьшить эффект кофейного кольца из-за капиллярной силы вблизи линии контакта. [15] Разворот происходит, когда капиллярная сила преобладает над потоком кофейного кольца наружу из-за геометрических ограничений.
Определяющие факторы размера и рисунка
[ редактировать ]Нижний предел размера кофейного кольца зависит от конкуренции в масштабе времени между испарением жидкости и движением взвешенных частиц. [16] Когда жидкость испаряется намного быстрее, чем движение частиц вблизи линии трехфазного контакта, успешное формирование кофейного кольца не происходит. Вместо этого эти частицы будут равномерно диспергироваться по поверхности после полного испарения жидкости. Для взвешенных частиц размером 100 нм минимальный диаметр структуры кофейного кольца составляет 10 мкм, что примерно в 10 раз меньше ширины человеческого волоса . Форма частиц жидкости отвечает за эффект кофейного кольца. [17] [18] На пористых подложках конкуренция между инфильтрацией, движением частиц и испарением растворителя определяет конечную морфологию осаждения. [19]
pH . раствора капли влияет на конечный рисунок отложения [20] Переход между этими закономерностями объясняется рассмотрением того, как взаимодействия DLVO, такие как электростатические силы и силы Ван-дер-Ваальса, изменяют процесс осаждения частиц.
Приложения
[ редактировать ]Эффект кофейного кольца используется при конвективном осаждении исследователями, желающими упорядочить частицы на подложке с помощью капиллярной сборки, заменяя неподвижную каплю продвигающимся мениском, протянутым по подложке. [21] [22] [23] Этот процесс отличается от нанесения покрытия погружением тем, что испарение приводит к потоку вдоль подложки, а не под действием силы тяжести.
Конвективное осаждение может контролировать ориентацию частиц, что приводит к образованию кристаллических монослойных пленок из несферических частиц, таких как полусферические, [24] димер, [25] и гантель [26] фигурные частицы. Ориентацию обеспечивает система, стремящаяся достичь состояния максимальной упаковки частиц в тонком слое мениска, над которым происходит испарение. Они показали, что настройка объемной доли частиц в растворе будет контролировать конкретное место вдоль изменяющейся толщины мениска, в котором происходит сборка. Частицы будут выравниваться по своей длинной оси в плоскости или вне плоскости в зависимости от того, равен ли их более длинный размер частицы толщине смачивающего слоя в месте расположения мениска. [26] Подобные переходы толщины были установлены и для сферических частиц. [27] Позже было показано, что конвективная сборка может контролировать ориентацию частиц при сборке многослойных слоев, что приводит к образованию трехмерных коллоидных кристаллов с большим радиусом действия из частиц гантелевидной формы. [28] Эти находки были привлекательны для самосборки коллоидно-кристаллических пленок для таких приложений, как фотоника. [28] Последние достижения расширили возможности применения сборки кофейных колец от коллоидных частиц к организованным структурам неорганических кристаллов. [12]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Диган, Роберт Д.; Бакаджин, Ольгица ; Дюпон, Тодд Ф.; Хубер, Грег; Нагель, Сидни Р.; Виттен, Томас А. (1997). «Капиллярное течение как причина кольцевых пятен от засохших капель жидкости». Природа . 389 (6653): 827–829. Бибкод : 1997Natur.389..827D . дои : 10.1038/39827 . S2CID 205027233 .
- ^ Перейти обратно: а б с Ой, Юто; Ханасаки, Ицуо; Мизумура, Дайки; Мацуда, Ю (2017). «Подавление эффекта кофейных колец коллоидных капель с помощью дисперсных нановолокон целлюлозы» . Наука и технология перспективных материалов . 18 (1): 316–324. Бибкод : 2017STAdM..18..316O . дои : 10.1080/14686996.2017.1314776 . ПМЦ 5439399 . ПМИД 28567177 .
- ^ Хм; Ларсон, Р.Г. (2006). «Эффект Марангони меняет отложения кофейных колец». Журнал физической химии Б. 110 (14): 7090–7094. дои : 10.1021/jp0609232 . ПМИД 16599468 .
- ^ Савино, Р.; Патерна, Д.; Фавалоро, Н. (2002). «Эффекты плавучести и Марангони в испаряющейся капле». Журнал теплофизики и теплопередачи . 16 (4): 562–574. дои : 10.2514/2.6716 . ISSN 0887-8722 .
- ^ Джафари Канг, Саид; Вандади, Вахид; Фельске, Джеймс Д.; Масуд, Хасан (2016). «Альтернативный механизм осаждения кофейных колец, основанный на активной роли свободной поверхности». Физический обзор E . 94 (6): 063104. arXiv : 0906.3878 . Бибкод : 2016PhRvE..94f3104J . дои : 10.1103/PhysRevE.94.063104 . ПМИД 28085318 . S2CID 10670995 .
- ^ Феномен кофейного кольца объяснен в новой теории . phys.org (20 декабря 2016 г.)
- ^ Кэрролл, Грегори; Йонгежан, Махтильд; Пайпер, Дирк; Феринга, Бен (2010). «Спонтанная генерация и формирование рисунка тороидов с хиральной полимерной поверхностью». Химическая наука . 1 (4): 469–472. дои : 10.1039/c0sc00159g .
- ^ Генчер, Аликан; Шютц, Кристина; Тилеманс, Вим (2017). «Влияние концентрации частиц и текучести марангони на формирование пленок нанокристаллов целлюлозы» . Ленгмюр . 33 (1): 228–234. doi : 10.1021/acs.langmuir.6b03724 . ПМИД 28034313 .
- ^ де Ганс, Беренд-Ян; Шуберт, Ульрих С. (2004). «Струйная печать четко определенных полимерных точек и массивов» . Ленгмюр . 20 (18): 7789–7793. дои : 10.1021/la049469o . ISSN 0743-7463 . ПМИД 15323532 .
- ^ Солтман, Дэн; Субраманиан, Вивек (2008). «Морфология линий, напечатанных на струйной печати, и контроль температуры эффекта кофейного кольца» . Ленгмюр . 24 (5): 2224–2231. дои : 10.1021/la7026847 . ISSN 0743-7463 . ПМИД 18197714 .
- ^ Патил, Нагеш Д.; Банге, Пратамеш Г.; Бхардвадж, Раджниш; Шарма, Атул (2016). «Влияние нагрева и смачиваемости подложки на динамику испарения и характер осаждения сидячей капли воды, содержащей коллоидные частицы». Ленгмюр . 32 (45): 11958–11972. arXiv : 1610.06281 . doi : 10.1021/acs.langmuir.6b02769 . ПМИД 27759960 . S2CID 46708941 .
- ^ Перейти обратно: а б Макбрайд, Саманта; Даш, Сусмита; Варанаси, Крипа (2018). «Испарительная кристаллизация в каплях на супергидрофобных и пропитанных жидкостью поверхностях». Ленгмюр . 34 (41): 12350–12358. doi : 10.1021/acs.langmuir.8b00049 . hdl : 1721.1/129769 . ПМИД 29609465 .
- ^ Тан, Хуаньшу; Ух, С.; Батт, Х.-Дж.; Чжан, X.; Лозе, Д. (2019). «Сборка пористых супрачастиц посредством самосмазывающихся испаряющихся коллоидных капель узо» . Природные коммуникации . 10 (1): 478. Бибкод : 2019NatCo..10..478T . дои : 10.1038/s41467-019-08385-w . ПМК 6351649 . ПМИД 30696829 .
- ^ Эрал, Х.Б.; Мампаллил-Агустин, Д.; Дуйтс, МХГ; Мугеле, Ф. (2011). «Подавление эффекта кофейного пятна: как контролировать коллоидную самосборку в испаряющихся каплях с помощью электросмачивания». Мягкая материя . 7 (10): 7090–7094. Бибкод : 2011SMat....7.4954E . дои : 10.1039/C1SM05183K .
- ^ Веон, Бён Мук; Дже, Юнг Хо (2010). «Капиллярная сила отталкивает эффект кофейного кольца» . Физический обзор E . 82 (1): 015305(Р). Бибкод : 2010PhRvE..82a5305W . дои : 10.1103/PhysRevE.82.015305 . ПМИД 20866682 .
- ^ Шен, X; Хо, СМ; Вонг, ТС (2010). «Минимальный размер структуры кофейного кольца» . Журнал физической химии Б. 114 (16): 5269–5274. дои : 10.1021/jp912190v . ПМК 2902562 . ПМИД 20353247 .
- ^ Юнкер, П.Дж.; Тем не менее, Т; Лор, Массачусетс; Йод, АГ (2011). «Подавление эффекта кофейного кольца за счет капиллярных взаимодействий, зависящих от формы». Природа . 476 (7360): 308–311. Бибкод : 2011Natur.476..308Y . дои : 10.1038/nature10344 . ПМИД 21850105 . S2CID 205226009 .
- ^ «Объяснение эффекта кофейного кольца» . ScienceDebate.com . Проверено 21 августа 2011 г.
- ^ Пак, Мин; Ху, Хан; Ким, Донг-Ок; Ян, Синь; Сунь, Ин (2015). «Нанесение коллоидных капель на пористые подложки: конкуренция между движением частиц, испарением и инфильтрацией». Ленгмюр . 31 (29): 7953–7961. doi : 10.1021/acs.langmuir.5b01846 . ПМИД 26132211 .
- ^ Бхардвадж, Р; Фанг, Х; Сомасундаран, П; Аттингер, Д. (2010). «Самосборка коллоидных частиц из испаряющихся капель: роль ДЛВО-взаимодействий и предложение фазовой диаграммы». Ленгмюр . 26 (11): 7833–42. arXiv : 1010.2564 . дои : 10.1021/la9047227 . ПМИД 20337481 . S2CID 4789514 .
- ^ Прево, Брайан Г.; Велев, Орлин Д. (2004). «Контролируемое быстрое осаждение структурированных покрытий из суспензий микро- и наночастиц». Ленгмюр . 20 (6): 2099–2107. дои : 10.1021/la035295j . ПМИД 15835658 .
- ^ Кумноркаев, Писист; Ээ, Йик-Хун; Тансу, Нельсон; Гилкрист, Джеймс Ф. (2008). «Исследование осаждения монослоев микросфер для изготовления матриц микролинз». Ленгмюр . 24 (21): 12150–12157. дои : 10.1021/la801100g . ПМИД 18533633 .
- ^ Димитров, Антоний С.; Нагаяма, Куниаки (1995). «Стационарная однонаправленная конвективная сборка мелких частиц в двумерные массивы». Письма по химической физике . 243 (5–6): 462–468. Бибкод : 1995CPL...243..462D . дои : 10.1016/0009-2614(95)00837-T .
- ^ Хосейн, Ян Д.; Лидделл, Чекеша М. (1 августа 2007 г.). «Коллоидные кристаллы на основе несферических грибных шляпок, собранные конвективно». Ленгмюр . 23 (17): 8810–8814. дои : 10.1021/la700865t . ПМИД 17630788 .
- ^ Хосейн, Ян Д.; Джон, Беттина С.; Ли, Стефани Х.; Эскобедо, Фернандо А.; Лидделл, Чекеша М. (24 декабря 2008 г.). «Ротатор и кристаллические пленки посредством самосборки коллоидных димеров с короткой длиной связи». Журнал химии материалов . 19 (3): 344–349. дои : 10.1039/B818613H .
- ^ Перейти обратно: а б Хосейн, Ян Д.; Лидделл, Чекеша М. (1 октября 2007 г.). «Конвективно собранные асимметричные коллоидные кристаллы на основе димеров». Ленгмюр . 23 (21): 10479–10485. дои : 10.1021/la7007254 . ПМИД 17629310 .
- ^ Мэн, Линли; Вэй, Хун; Нагель, Энтони; Уайли, Бенджамин Дж.; Скривен, Ле; Норрис, Дэвид Дж. (1 октября 2006 г.). «Роль переходов толщины в конвективной сборке». Нано-буквы . 6 (10): 2249–2253. Бибкод : 2006NanoL...6.2249M . дои : 10.1021/nl061626b . ПМИД 17034092 .
- ^ Перейти обратно: а б Хосейн, Ян Д.; Ли, Стефани Х.; Лидделл, Чекеша М. (23 сентября 2010 г.). «Трехмерные фотонные кристаллы на основе димеров». Передовые функциональные материалы . 20 (18): 3085–3091. дои : 10.1002/adfm.201000134 . S2CID 136970162 .
