Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Эффект капиллярного потока
Capillary flow effect
В физике "кофейное кольцо" – это узор, остающийся от лужицы жидкости, содержащей частицы, после её испарения. Это явление получило своё название из-за характерного кольцеобразного отложения по периметру пролитого кофе. Оно также часто наблюдается 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.
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.
Механизм потока
Кофейный кольцевой рисунок возникает из капиллярного потока, вызванного испарением капли: жидкость, испаряющаяся с края, восполняется жидкостью изнутри. Возникший поток может перенести почти весь рассеянный материал к краю. Со временем этот процесс демонстрирует эффект "часа пик", то есть быстрое ускорение потока к краю на финальной стадии процесса сушки. Испарение индуцирует поток Марангони внутри капли. Если этот поток достаточно сильный, он перераспределяет частицы обратно к центру капли. Следовательно, для накопления частиц на краях жидкость должна обладать слабым потоком Марангони, либо что-то должно нарушить этот поток. Например, добавление поверхностно-активных веществ может уменьшить градиент поверхностного натяжения жидкости, тем самым нарушая индуцированный поток. Вода изначально имеет слабый поток Марангони, который естественные поверхностно-активные вещества еще больше ослабляют. Взаимодействие частиц, взвешенных в капле, со свободной поверхностью капли играет важную роль в формировании кофейного кольца. "Когда капля испаряется, свободная поверхность схлопывается и захватывает взвешенные частицы – в конечном итоге все частицы оказываются захваченными свободной поверхностью и остаются там до конца своего движения к краю капли". Этот результат означает, что поверхностно-активные вещества можно использовать для управления движением частиц растворенного вещества, изменяя поверхностное натяжение капли, вместо попыток контролировать объемный поток внутри капли. В результате могут образовываться различные интересные морфологии отложенных частиц. Например, было показано, что энантиомерно чистый поли(изоцианатный) производный образует упорядоченные массивы сдавленных структур, напоминающих пончики.
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.
Подавление
[[Файл:Уничтожение кольца кофе целлюлозой.jpg|thumb|upright=1.5|Пятна, образованные коллоидными смесями частиц полистирола (диаметр 1,4 мкм) и волокон целлюлозы (диаметр ~20 нм, длина ~1 мкм). Концентрация полистирола установлена в 0,1 мас. %, а концентрация целлюлозы - 0 (слева), 0,01 (в центре) и 0,1 мас. % (справа). Было показано, что смеси растворителей с низкой и высокой температурой кипения подавляют эффект "кофейного кольца", изменяя форму осажденного вещества от кольцеобразной до точечной. Контроль температуры подложки оказался эффективным способом подавления "кофейного кольца", формирующегося из капель водного раствора PEDOT:PSS. На нагретой гидрофильной или гидрофобной подложке формируется более тонкое кольцо с внутренним отложением, что объясняется конвекцией Марангони. Контроль смачиваемости 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 жидкостно-пропитанных поверхностях реже имеют закрепленную линию контакта и подавляют образование кольца. Капли с масляным кольцом, формирующимся на линии контакта капли, обладают высокой подвижностью и могут избегать образования кольца на гидрофобных поверхностях. Электровлажнение переменным напряжением может подавлять кофейные пятна без необходимости добавления поверхностно-активных веществ. Обратное движение частиц также может снизить эффект "кофейного кольца" из-за капиллярных сил вблизи линии контакта. Обращение происходит, когда капиллярная сила преобладает над выталкивающим потоком "кофейного кольца" из-за геометрических ограничений.
[[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.
Определяющие величины и рисунки
Размер минимального кольца кофе зависит от конкуренции во времени между испарением жидкости и движением взвешенных частиц. Если жидкость испаряется значительно быстрее, чем движение частиц вблизи трехфазной контактной линии, образование кольца кофе не происходит. Вместо этого, при полном испарении жидкости, эти частицы равномерно распределяются по поверхности. Для взвешенных частиц размером 100 нм, минимальный диаметр структуры кольца кофе составляет 10 мкм, что примерно в 10 раз меньше ширины человеческого волоса. Форма частиц в жидкости определяет эффект образования кольца кофе. На пористых подложках конкуренция между инфильтрацией, движением частиц и испарением растворителя определяет конечную морфологию осаждения. pH раствора капли влияет на структуру конечного осадка. Переход между этими структурами объясняется тем, как DLVO-взаимодействия, такие как электростатические силы и силы Ван-дер-Ваальса, модифицируют процесс осаждения частиц.
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.
Приложения
Кофейный кольцевой эффект используется в конвективном осаждении исследователями, стремящимися упорядочить частицы на подложке с помощью капиллярно-управляемой самосборки, заменяя стационарную каплю движущимся мениском, протянутым по подложке. Этот процесс отличается от метода погружения тем, что движущей силой потока вдоль подложки является испарение, а не гравитация. Конвективное осаждение позволяет контролировать ориентацию частиц, что приводит к формированию кристаллических монослойных пленок из несферических частиц, таких как полусферические, димерные и частицы в форме гантелей. Ориентация обеспечивается стремлением системы к состоянию максимальной упаковки частиц в тонком слое мениска, где происходит испарение. Было показано, что регулирование объемной доли частиц в растворе позволяет контролировать конкретное местоположение вдоль мениска переменной толщины, где происходит самосборка. Частицы выстраиваются длинной осью в плоскости или перпендикулярно ей в зависимости от того, равна ли их наибольшая размерность толщине смачивающего слоя в данной точке мениска. В дальнейшем было продемонстрировано, что конвективная самосборка может контролировать ориентацию частиц при формировании многослойных структур, приводя к образованию протяженных трехмерных коллоидных кристаллов из частиц в форме гантелей. Эти результаты представляли интерес для самосборки коллоидных кристаллических пленок в приложениях, таких как фотоника. Недавние достижения расширили применение самосборки по типу кофейного кольца от коллоидных частиц к упорядоченным структурам неорганических кристаллов.
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.