Войти
Пятна от испарения пролитого кофе В физике "кофейное кольцо " узор, оставленный лужей жидкости с частицами после ее испарения. Это явление названо в честь характерного кольцевидного отложения по периметру разлива кофе. Это также обычно наблюдается после пролития красного вина. Формирование этих и подобных колец известно как эффект кофейного кольца или, в некоторых случаях, эффект кофейного пятна, или просто кольцевой эффект .
Рисунок кофейных колец происходит от капиллярного потока, вызванное разной скоростью испарения через каплю: жидкость, испаряющаяся с края, пополняется жидкостью изнутри. Получающийся в результате боковой поток может унести почти весь диспергированный материал к краю. В зависимости от времени этот процесс демонстрирует эффект «часа пик», то есть быстрое ускорение бокового потока на последней стадии процесса сушки.
Испарение вызывает поток Марангони внутри капли. Поток, если он сильный, перераспределяет частицы обратно к центру капли. Таким образом, чтобы частицы накапливались на краях, жидкость должна иметь слабый поток Марангони, или должно произойти что-то, что нарушит поток. Например, поверхностно-активные вещества могут быть добавлены для уменьшения градиента поверхностного натяжения жидкости, нарушая индуцированный поток. Вначале вода имеет слабый поток по Марангони, который затем значительно снижается за счет естественных поверхностно-активных веществ.
Взаимодействие частиц, взвешенных в капле, со свободной поверхностью капли важно для создания кофейного кольца. «Когда капля испаряется, свободная поверхность схлопывается и захватывает взвешенные частицы... в конечном итоге все частицы захватываются свободной поверхностью и остаются там до конца своего путешествия к краю капли». Этот результат означает, что поверхностно-активные вещества можно использовать для управления движением частиц растворенного вещества путем изменения поверхностного натяжения капли, вместо того, чтобы пытаться контролировать объемный поток внутри капли.
Пятна, образующиеся коллоидными смесями частиц полистирола (диаметр 1,4 мкм) и целлюлозных волокон (диаметр примерно 20 нм, длина примерно 1 мкм). Концентрация полистирола зафиксирована на уровне 0,1 мас.%, А концентрация целлюлозы - 0 (слева), 0,01 (в центре) и 0,1 мас.% (Справа). Рисунок кофейных колец вреден при равномерном нанесении высушенного осадка. требуется, например, в печатной электронике. Его можно подавить, добавляя удлиненные частицы, такие как волокна целлюлозы, к сферическим частицам, которые вызывают эффект кофейных колец. Размер и весовая доля добавленных частиц может быть меньше, чем у первичных.
Также сообщается, что управление потоком внутри капли является мощным способом создания однородной пленки; например, используя растворенные потоки Марангони, возникающие при испарении.
Было показано, что смеси растворителей с низкой точкой кипения и высокой точкой кипения подавляют эффект кофейного кольца, изменяя форму осажденного растворенного вещества с кольцевой на точечную.
Было показано, что контроль температуры субстрата является эффективным способом подавления кофейного кольца, образованного каплями раствора PEDOT: PSS на водной основе. На нагретом гидрофильном или гидрофобном субстрате образуется более тонкое кольцо с внутренним отложением, что связано с конвекцией Марангони.
Контроль смачиваемости субстрата на скользких поверхностях может предотвратить закрепление линии контакта капли, что таким образом подавляет эффект кофейного кольца за счет уменьшения количества частиц, осаждаемых на линии контакта. Капли на супергидрофобные поверхности или поверхности, пропитанные жидкостью, с меньшей вероятностью будут иметь штыревую контактную линию и подавят образование колец. Капли с масляным кольцом, образованным на линии контакта с каплей, обладают высокой подвижностью и позволяют избежать образования колец на гидрофобных поверхностях.
Переменное напряжение электросмачивание может подавить пятна от кофе без необходимости добавления поверхностного слоя. активные материалы. Обратное движение частиц также может уменьшить эффект кофейного кольца из-за капиллярной силы вблизи линии контакта. Обратное движение происходит, когда капиллярная сила преобладает над направленным наружу потоком кофейных колец из-за геометрических ограничений.
Нижний предел размера кофейного кольца зависит от конкуренции во времени между испарением жидкости и движением взвешенных частиц. Когда жидкость испаряется намного быстрее, чем движение частиц вблизи линии трехфазного контакта, кофейное кольцо не может быть успешно сформировано. Вместо этого эти частицы будут равномерно диспергироваться на поверхности после полного испарения жидкости. Для взвешенных частиц размером 100 нм минимальный диаметр кольцевой структуры кофе составляет 10 мкм, или примерно в 10 раз меньше, чем ширина человеческого волоса. Форма частиц в жидкости отвечает за эффект кофейного кольца. На пористых подложках конкуренция между инфильтрацией, движением частиц и испарением растворителя определяет морфологию окончательного осаждения.
pH раствора капли влияет на окончательную структуру отложений. Переход между этими паттернами объясняется рассмотрением того, как взаимодействия DLVO, такие как электростатические и Ван-дер-Ваальсовые силы, изменяют процесс осаждения частиц.
Эффект кофейного кольца используется в конвективном осаждении исследователями, которые хотят упорядочить частицы на подложке с помощью сборки с капиллярным приводом, заменяя неподвижную каплю продвигающимся мениском, проведенным по подложке. Этот процесс отличается от нанесения покрытия погружением тем, что испарение заставляет поток вдоль подложки, а не гравитацию.
Конвективное осаждение может управлять ориентацией частиц, что приводит к образованию кристаллических однослойных пленок из несферических частиц, таких как частицы полусферической, димерной и гантелевидной формы. Ориентация обеспечивается системой, пытающейся 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 меняющейся толщины мениска, в котором происходит сборка. Частицы будут выравниваться по своей длинной оси в плоскости или вне плоскости в зависимости от того, был ли их более длинный размер частицы равен толщине смачивающего слоя в месте расположения мениска. Подобные переходы толщины были установлены и для сферических частиц. Позже было показано, что конвективная сборка может контролировать ориентацию частиц при сборке многослойных материалов, что приводит к образованию трехмерных коллоидных кристаллов с большим радиусом действия из частиц в форме гантелей. Эти находки были привлекательными для самособирающихся пленок коллоидных кристаллов для таких приложений, как фотоника. Недавние достижения расширили применение сборки кофейных колец от коллоидных частиц до организованных структур неорганических кристаллов.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с кофейными пятнами. |
