Капиллярлық ағын әсері немесе "кофе сақинасы" құбылысы
Coffee ring effect
Кофе сақинасы құбылысы: сұйықтың булануынан бөлшектер жиналып шетінде сақина пайда болады. Физикадағы маңызды түсінік, кофе/шарап тамшыларында кездеседі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Капиллярлық ағын әсері
Capillary flow effect
Физикада "кофелік сақина" – бөлшектік заттармен толтырылған сұйықтық тамшысы буланғаннан кейін қалдыратын үлгі. Бұл құбылыс кофе төгілгенде пайда болатын, шетімен айнала орналасқан сақина тәрізді ізге байланысты аталады. Қызыл шарап төгілгеннен кейін де осыны жиі кездестіруге болады. Осы және осыған ұқсас сақиналардың қалыптасу механизмі кофе сақинасы әсері немесе кейде кофе дағы әсері, немесе жай ғана сақина тәрізді дақ деп аталады.
In physics, a "coffee ring" is a pattern left by a puddle of particle laden liquid after it evaporates. The phenomenon is named for the characteristic ring like deposit along the perimeter of a spill of coffee. It is also commonly seen after spilling red wine. The mechanism behind the formation of these and similar rings is known as the coffee ring effect or in some instances, the coffee stain effect, or simply ring stain.
Ағынды механизм
Кофе сақинасының түзілуі тамшының булануынан туындаған капиллярлық ағысқа байланысты: тамшы шетінен буланған сұйықтық, ішкі жағынан келетін сұйықтықпен толықтырылады. Соның салдарынан туындаған ағыс, шашыраған барлық материалды шетке жеткізе алады. Уақыт өте келе, бұл процесс "сағат шыңы" әсерін көрсетеді, яғни кептіру процесінің соңғы сатысында шетке қарай ағыс күрт үдеуге ие болады. Булану тамшы ішінде Марангони ағысын тудырады. Егер ағыс күшті болса, ол бөлшектерді тамшының ортасына қайтарады. Сондықтан, бөлшектердің шеттерде жиналуы үшін сұйықтықтағы Марангони ағысы әлсіз болуы керек, немесе ағыстың бұзылуына себеп болатын фактор болуы тиіс. Мысалы, сұйықтың беттік кернеу градиентін төмендету үшін, туындаған ағысты бұза отырып, беттік белсенді заттар қосылуы мүмкін. Судің бастапқыда Марангони ағысы әлсіз болады, ал табиғи беттік белсенді заттар оны одан да әлсіретеді. Тамшыдағы суспензиядағы бөлшектердің еркін бетпен өзара әрекеттесуі кофе сақинасын қалыптастыруда маңызды рөл атқарады. "Тамшы буланғанда, еркін бет құлайды және суспензиядағы бөлшектерді ұстап алады – ақырында барлық бөлшектер еркін бетпен ұсталып, тамшы шетіне қарай саяхатының соңына дейін сол жерде қалады". Бұл нәтиже, тұнба ішіндегі көлемдік ағынды басқаруға тырысудың орнына, тұнбаның беттік кернеуін өзгерту арқылы еріген бөлшектердің қозғалысын басқару үшін беттік белсенді заттарды қолдануға болатынын көрсетеді. Бұл жиналған бөлшектердің әртүрлі қызықты морфологиялық құрылымдарына әкелуі мүмкін. Мысалы, энантиотаза поли(изоцианат) туындысының қысылған пончик тәрізді құрылымдардың реттелген тізімдерін қалыптастыратыны көрсетілген.
The coffee ring pattern originates from the capillary flow induced by the evaporation of the drop: liquid evaporating from the edge is replenished by liquid from the interior. The resulting current can carry nearly all the dispersed material to the edge. As a function of time, this process exhibits a "rush hour" effect, that is, a rapid acceleration of the flow towards the edge at the final stage of the drying process. Evaporation induces a Marangoni flow inside a droplet. The flow, if strong, redistributes particles back to the center of the droplet. Thus, for particles to accumulate at the edges, the liquid must have a weak Marangoni flow, or something must occur to disrupt the flow. For example, surfactants can be added to reduce the liquid's surface tension gradient, disrupting the induced flow. Water has a weak Marangoni flow to begin with, which is then reduced significantly by natural surfactants. Interaction of the particles suspended in a droplet with the free surface of the droplet is important in creating a coffee ring. "When the drop evaporates, the free surface collapses and traps the suspended particles eventually all the particles are captured by the free surface and stay there for the rest of their trip towards the edge of the drop." This result means that surfactants can be used to manipulate the motion of the solute particles by changing the surface tension of the drop, rather than trying to control the bulk flow inside the drop. A number of interesting morphologies of the deposited particles can result. For example, an enantiopure poly (isocyanate) derivative has been shown to form ordered arrays of squashed donut structures.
Басып шығару
[[Файл:Кофе сақинасының басуы.jpg|thumb|upright=1.5|Полистирол бөлшектерінің (диаметрі 1.4 мкм) және целлюлоза талшықтарының (диаметрі ~20 нм, ұзындығы ~1 мкм) коллоидты қоспаларынан пайда болған дақтар. Полистирол концентрациясы 0.1 мас. %-да бекітілген, ал целлюлоза концентрациясы 0 (сол жақта), 0.01 (ортада) және 0.1 мас. %-да (оң жақта). Төмен қайнау нүктесі және жоғары қайнау нүктесі еріткіштерінің қоспалары кофе сақинасының әсерін басады және жиналған заттың пішінін сақина тәріздіден нүкте тәріздіге өзгертеді. Сулы PEDOT:PSS ерітіндісінің тамшыларынан пайда болатын кофе сақинасын басу үшін субстрат температурасын бақылау тиімді әдіс екені көрсетілді. Жылытылған гидрофильді немесе гидрофобты субстратта ішкі жинағы бар жұқа сақина пайда болады, бұл Марангони конвекциясына байланысты. Сырғалақты беттердегі субстраттың ылғалдану қасиеттерін бақылау тамшының байланыс сызығының тұйықталуын болдырмауға мүмкіндік береді, демек, байланыс сызығында жиналған бөлшектердің санын азайту арқылы кофе сақинасының әсерін басады. Супергидрофобты немесе сұйыққа қаныққан беттердегі тамшылардың байланыс сызығы тұйықталуы аз болуы мүмкін және сақинаның пайда болуын тежеуі мүмкін. Тамшының байланыс сызығында май сақинасы пайда болған жағдайда, тамшылардың қозғалмалылығы жоғары болады және гидрофобты беттерде сақинаның пайда болуын болдырмауға мүмкіндік береді. Ауыспалы кернеуді қолданып электрлік ылғалдану беттік белсенді заттарды қосу қажеттілігінсіз кофе дақтарын жоюға мүмкіндік береді. Бөлшектердің кері қозғалысы да байланыс сызығының жанындағы капиллярлық күштің әсерінен кофе сақинасының әсерін азайтуы мүмкін. Кері бұру капиллярлық күш геометриялық шектеулер арқылы сыртқы кофе сақинасының ағынына басым болған кезде жүзеге асырылады.
[[File:Coffee ring suppression by cellulose. jpg|thumb|upright=1.5|Stains produced by colloidal mixtures of polystyrene particles (diameter 1.4 μm) and cellulose fibers (diameter ~20 nm, length ~1 μm). The polystyrene concentration is fixed at 0.1 wt%, and that of cellulose is 0 (left), 0.01 (center) and 0.1 wt% (right). Mixtures of low boiling point and high boiling point solvents were shown to suppress the coffee ring effect, changing the shape of a deposited solute from a ring like to a dot like shape. Control of the substrate temperature was shown to be an effective way to suppress the coffee ring formed by droplets of water based PEDOT:PSS solution. On a heated hydrophilic or hydrophobic substrate, a thinner ring with an inner deposit forms, which is attributed to Marangoni convection. Control of the substrate wetting properties on slippery surfaces can prevent the pinning of the drop contact line, which will, therefore, suppress the coffee ring effect by reducing the number of particles deposited at the contact line. Drops on superhydrophobic or liquid impregnated surfaces are less likely to have a pinned contact line and will suppress ring formation. Drops with an oil ring formed at the drop contact line have high mobility and can avoid the ring formation on hydrophobic surfaces. Alternating voltage electrowetting may suppress coffee stains without the need to add surface active materials. Reverse particle motion may also reduce the coffee ring effect because of the capillary force near the contact line. The reversal takes place when the capillary force prevails over the outward coffee ring flow by the geometric constraints.
Өлшемі мен үлгісін анықтайтын факторлар
Кофе сақинасының ең кішкентай мөлшері сұйықтың булануы мен ерітіндідегі бөлшектердің қозғалысы арасындағы уақыттық бәсекелестікке байланысты. Егер сұйық үш фазалық байланыс сызығының жанындағы бөлшектердің қозғалысынан гөрі әлдеқайда жылдам буланып кетсе, кофе сақинасы қалыптаса алмайды. Оның орнына, бұл бөлшектер сұйық толығымен буланып біткен кезде бетке біркелкі таралады. 100 нм өлшемдегі ерітіндідегі бөлшектер үшін кофе сақинасының ең кішкентай диаметрі 10 мкм, яғни адам шашының енінен 10 есе кіші болып табылады. Сұйықтағы бөлшектердің пішіні кофе сақинасы құбылысының себебі болып табылады. Көзекті субстраттарда инфильтрация, бөлшектердің қозғалысы және еріткіштің булануы арасындағы бәсекелестік соңғы шөгіндінің морфологиясын анықтайды. Тамшының ерітіндісінің pH деңгейі соңғы шөгінді үлгісіне әсер етеді. Бұл үлгілер арасындағы өзгеру электростатикалық және Ван дер Ваальс күштері сияқты DLVO өзара әрекеттесулерінің бөлшектердің шөгінді процесін қалай өзгертетінін қарастыру арқылы түсіндіріледі.
The lower limit size of a coffee ring depends on the time scale competition between the liquid evaporation and the movement of suspended particles. When the liquid evaporates much faster than the particle movement near a three phase contact line, coffee ring cannot be formed successfully. Instead, these particles will disperse uniformly on a surface upon complete liquid evaporation. For suspended particles of size 100 nm, the minimum diameter of the coffee ring structure is found to be 10 μm, or about 10 times smaller than the width of human hair. The shape of particles in the liquid is responsible for coffee ring effect. On porous substrates, the competition among infiltration, particle motion and evaporation of the solvent governs the final deposition morphology. The pH of the solution of the drop influences the final deposit pattern. The transition between these patterns is explained by considering how DLVO interactions such as the electrostatic and Van der Waals forces modify the particle deposition process.
Қолданбалар
Кофе сақинасы әсері конвективті жинақтауда капиллярлық күшпен құрастыру арқылы субстратта бөлшектерді реттеуге ниеттенген зерттеушілер тарапынан қолданылады, стационарлық тамшыны субстрат арқылы жылжып өтетін менсиске алмастырады. Бұл процесс суға батырудан өзгеше, себебі булану гравитация емес, субстрат бойымен ағынды қозғайды. Конвективті жинақтау бөлшектердің бағдарын басқара алады, нәтижесінде жарты шар, димер және гантель пішіндес бөлшектер сияқты сфералық емес бөлшектерден кристаллдық моноқабатты пленкалар түзіледі. Бағдарлау жүйемен қамтамасыз етіледі, ол жұқа менсиск қабатында бөлшектердің максималды жиналу күйіне жетуге тырысады, осы қабатта булану жүреді. Олар ерітіндідегі бөлшектердің көлемдік үлесін реттеу, менсиск қалыңдығының өзгеруіне байланысты құрастырудың нақты орналасуын басқаратынын көрсетті. Бөлшектердің ұзын осі бөлшектің ұзын өлшемі менсиск орналасқан жердегі ылғалданған қабаттың қалыңдығына тең болған жағдайда жазықтықта немесе жазықтықтан тыс орналасады. Кейіннен конвективті құрастыру көп қабатты құрастыру кезінде бөлшектердің бағытын басқара алатыны көрсетілді, нәтижесінде гантель пішіндес бөлшектерден алысқа созылған 3D коллоидты кристаллдар пайда болды. Бұл жаңалықтар фотоника сияқты қолданулар үшін өздігінен құрастырылатын коллоидты кристалл пленкалар үшін қызығушылық тудырды. Соңғы жетістіктер кофе сақинасы құрастыруын коллоидты бөлшектерден органикалық кристаллдардың реттелген үлгілеріне қолдану мүмкіндігін кеңейтті.
The coffee ring effect is utilized in convective deposition by researchers wanting to order particles on a substrate using capillary driven assembly, replacing a stationary droplet with an advancing meniscus drawn across the substrate. This process differs from dip coating in that evaporation drives flow along the substrate as opposed to gravity. Convective deposition can control particle orientation, resulting in the formation of crystalline monolayer films from nonspherical particles such as hemispherical, dimer, and dumbbell shaped particles. Orientation is afforded by the system trying to reach a state of maximum packing of the particles in the thin meniscus layer over which evaporation occurs. They showed that tuning the volume fraction of particles in solution will control the specific location along the varying meniscus thickness at which assembly occurs. Particles will align with their long axis in or out of plane depending on whether or not their longer dimension of the particle was equal to the thickness of the wetting layer at the meniscus location. It was later shown that convective assembly could control particle orientation in assembling multi layers, resulting in long range 3D colloidal crystals from dumbbell shaped particles. These finds were attractive for the self assembled of colloidal crystal films for applications such as photonics. Recent advances have increased the application of coffee ring assembly from colloidal particles to organized patterns of inorganic crystals.