Ефект кавового кільця
Зміст
Ефект кавового кільця
У фізиці, "кавове кільце" - це візерунок, залишеної калюжі кави (не обов’язково кави), який містить частинки рідини після того, коли вона випаровується. Явище назване по характерній формі кільця осаду по периметру розливу кави. Схоже явище також спостерігається після розлиття червоного вина. Механізм формування цих і подібних кілець відомий як ефект кавового кільця.
Механізм потоку
В журналі Nature[1], Роберт Д. Діган, разом з колегами з Університету Чикаго[2] показали те, що відбувається зі зразком через капілярний рух, який визваний диференціальною інтенсивністю випаровування всієї краплі: рідина випаровуючись від краю поповнюється за рахунок рідини зсередини. Отриманий потік може нести майже весь дисперсний матеріал до краю.
Подальша робота Ху і Ларсона припускає, що випаровування індукує течії Марангоні[[3]] всередині краплі. Якщо сильна течія, то вона, насправді, перерозподіляє частинки назад в центр краплі. Таким чином, для частинки нагромадженої на краях, рідина повинна мати слабку течію Марангоні, або щось має статися, щоб потік порушився. Наприклад, поверхнево-активні речовини[4] можуть бути додані для зменшення градієнту поверхневого натягу рідини, порушуючи індукований потік. Пізніше Х. Burak Eral і його колеги в в університеті Твенте[5] виконали електрозмочування[6] змінною напругою для погашення кавової плями (тобто немає необхідності додавати поверхнево-активні матеріали). Цей метод збуджує контактні лінії, в якості альтернативи збільшення та зменшення кута контакту розчіплює лінії зіткнення, коли крапля випаровується. Крім того, при відповідному виборі частоти збудження внутрішнього потоку поля можуть бути згенеровані протидії капілярного підвищення ефективності погашення. У 2013 році дослідники з Технологічного інституту Карлсруе[7], Німеччина, показали, що в процесі струменевого друку ефект кавового кільця може бути погашений шляхом швидкого збільшення в’язкості під час сушіння.
Нещодавно, Бен мук Уестон, Вонг Чун Панг і Юнг Хо Дже з Пхоханського університету науки і технології[8] засвідчили спостереження зворотного руху частинок, що відштовхує ефект кавового кільця через капілярні сили[9] поряд з лініями зіткнення. Розворот відбувається, коли капілярні сили переважають зовнішнє кільце потоку за рахунок геометричних обмежень.
Фактори, що визначають розмір і малюнок
Останні роботи Бхардвая та ін. показали, що pH розчину краплі також впливає на кінцевий зразок для зберігання. Перехід між цими візерунками пояснюється, як з урахуванням DLVO взаємодій[10], таких як електростатичні[11] і Ван-дер-Ваальсових сил[12], які змінюють процес осадження частинок.
На мікроскопічному рівні, Шен Хо, і Вонг з Університету Каліфорнії[13], Лос-Анджелес припустили, що нижній граничний розмір кільця залежить від масштабу часу між випаровуванням рідини і руху зважених частинок. Коли рідина випаровується швидше, ніж рух зарядженої частинки поблизу трифазної лінії зіткнення, кільце не може бути сформована успішно. Замість цього, ці частинки будуть розходитися рівномірно по поверхні після повного випаровування рідини. Для зважених частинок розміром 100 нм, мінімальний діаметр кільця становитиме 10 мкм, що приблизно в 10 разів менше ширини людської волосини. У дослідженні, опублікованому в Nature[14] в серпні 2011 року, команда фізиків Університету Пенсільванії доказали, що форма частинок відповідальна за ефект кавового кільця. На пористі субстрати рух частинок і випаровування розчинника визначає кінцеву структуру осадження.
Додатки
Ефект кавового кільця використовується дослідниками в конвективних осадженнях, які прагнуть знайти частинки на підкладці за допомогою капілярного привода в зборі.
Також використовуються дослідницькими групами Velev[15] в університеті штату Північна Кароліна і Гілкріст[16], в університеті Ліхай[17], принципи, розроблені Дмитровим та Нагаямою[18], тобто, заміна стаціонарних крапель з випередженням меніска поперек підкладки. Цей процес відрізняється від ДІП-покритття тим, що випаровування приводу потоку вздовж субстрату, йде на противагу гравітації.
Донгман Чжан та ін. використовували ефект кавового кільця для сушки зразка концентруючи розчини білків до СКР[19] в так зване падаюче осадження покриття ккомбінаційного розсіювання (DCDR) техніку[20][21][22].
Посилання
1. R. D. Deegan, O. Bakajin, T. F. Dupont, G. Huber, S. R. Nagel, T. A. Witten (1997). "Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops". Nature 389 (6653): 827–829. Bibcode:1997Natur.389..827D[23]. doi:10.1038/39827.
2. Hua Hu, Ronald Larson (2006). "Marangoni Effect Reverses Coffee-Ring Depositions". Journal of Physical Chemistry B 110 (14): 7090–7094. doi:10.1021/jp0609232[24]. PMID 16599468.
3. Eral H.B., Mampallil-Agustine D., Duits M.H.G., Mugele F. (2011). "Suppressing the coffee stain effect: how to control colloidal self-assembly in evaporating drops using electrowetting[25]". Soft Matter 7 (7): 7090–7094. Bibcode:2011SMat....7.4954E . doi:10.1039/C1SM05183K.
4. A. Friederich, J. R. Binder, W. Bauer (2013). "Rheological Control of the Coffee Stain Effect for Inkjet Printing of Ceramics". Journal of the American Ceramic Society 96: 2093–2099. doi:10.1111/jace.12385[26].
5. B. M. Weon and J. H. Je (2010). "Capillary force repels coffee-ring effect". Physical Review E 82: 015305(R). Bibcode:2010PhRvE..82a5305W . doi:10.1103/PhysRevE.82.015305[27].
6. Bhardwaj; et al. (2010). "Self-Assembly of Colloidal Particles from Evaporating Droplets: Role of DLVO Interactions and Proposition of a Phase Diagram". Langmuir 26 (11): 7833–42. doi:10.1021/la9047227[28]. PMID 20337481.
7. Xiaoying Shen, Chih-Ming Ho, Tak-Sing Wong (2010). "Minimal Size of Coffee Ring Structure"[29] . Journal of Physical Chemistry B 114 (16): 5269–5274. doi:10.1021/jp912190v[30]. PMC 2902562. PMID 20353247.
8. P. J. Yunker, T. Still, M. A. Lohr, A. G. Yodh (2011). "Suppression of the coffee-ring effect by shape-dependent capillary interactions"[31]. Nature 476 (7360): 308–311. Bibcode:2011Natur.476..308Y. doi:10.1038/nature10344[32].
9. "Coffee-ring effect explained"[33] . ScienceDebate.com. Retrieved 21 August 2011.
10. https://en.wikipedia.org/wiki/Coffee_ring_effect#cite_ref-8.
11. B. G. Prevo, O. D. Velev (2004). "Controlled rapid deposition of structured coatings from micro-and nanoparticle suspensions". Langmuir[34] 20 (6): 2099–2107. doi:10.1021/la035295j[35].
12. P. Kumnorkaew, Y. K. Ee, N. Tansu, J. F. Gilchrist (2008). "Investigation of the Deposition of Microsphere Monolayers for Fabrication of Microlens Arrays". Langmuir 24 (21): 12150–12157. doi:10.1021/la801100g[36].
13. P. Kumnorkaew, Y. K. Ee, N. Tansu, J. F. Gilchrist (2008). "Investigation of the Deposition of Microsphere Monolayers for Fabrication of Microlens Arrays". Langmuir 24 (21): 12150–12157. doi:10.1021/la801100g.
14. A. S. Dimitrov, K. Nagayama (1995). "Steady-state unidirectional convective assembling of fine particles into two-dimensional arrays". Chemical Physics Letters 243 (5–6): 462–468. Bibcode:1995CPL...243..462D . doi:10.1016/0009-2614(95)00837-T[37].
15. Dongmao Zhang, Yong Xie, Melissa F. Mrozek, Corasi Ortiz, V. Jo Davisson, Dor Ben-Amotz (2003). "Raman Detection of Proteomic Analytes". Analytical Chemistry 75 (21): 5703–5709. doi:10.1021/ac0345087[38].
16. Dongmao Zhang, Melissa F. Mrozek, Yong Xie, Dor Ben-Amotz (2004). "Chemical Segregation and Reduction of Raman Background Interference Using Drop Coating Deposition". Applied Spectroscopy 58 (8): 929–933. Bibcode:2004ApSpe..58..929Z . doi:10.1366/0003702041655430[39].
17. Dongmao Zhang, Karthikeshwar Vangala, DongPing Jiang, Sige Zou, Tibor Pechan (2010). "Drop Coating Deposition Raman Spectroscopy of Fluorescein Isothiocyanate Labeled Protein". Applied Spectroscopy 64 (10): 1078–1085. Bibcode:2010ApSpe..64.1078Z . doi:10.1366/000370210792973497[40].
