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新闻动态

通过调控液滴蒸发抑制表面产生咖啡环效应实现微粒均匀沉积

2020/04/09



关键词:咖啡环效应中国竞猜网网址中国竞猜网网址,均匀沉积,接触角中国竞猜网网址,蒸发模式

简介:在悬浮液蒸发过程中,避免咖啡环效应中国竞猜网网址,实现固体颗粒的均匀沉积中国竞猜网网址中国竞猜网网址,是科学技术领域的巨大挑战中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址。Butt等人提出了通过调控液滴蒸发中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址,抑制表面产生咖啡环效应,实现微粒均匀沉积的新策略中国竞猜网网址。该研究对很多领域有重要的潜在应用价值。




含有固体颗粒的液滴如何从固体表面蒸发是一个复杂的过程中国竞猜网网址,研究该蒸发过程有利于揭示科学本质和规律中国竞猜网网址。在质量和传热的共同作用下,导致产生了一些有趣的现象如“咖啡环效应”--它描述了固体表面上液滴蒸发后胶体粒子产生的不均匀环状沉积(图1)中国竞猜网网址。避免“咖啡环效应”实现胶体粒子的均匀沉积在很多领域都是关键中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址,如生物传感器、喷墨打印中国竞猜网网址、喷洒农药中国竞猜网网址、水性涂料应用、光子学等中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址。最近中国竞猜网网址,Butt等人研究了通过在固体表面进行油膜包覆中国竞猜网网址,调控水滴蒸发过程,抑制“咖啡环效应”产生中国竞猜网网址,实现了不对称超微粒的制备中国竞猜网网址。



1: 由表面轮廓仪记录墨水中的颗粒的环状沉积中国竞猜网网址中国竞猜网网址,即咖啡环效应



如何抑制“咖啡环效应”产生中国竞猜网网址中国竞猜网网址,实现胶体粒子的均匀沉积中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址?


为了清楚理解液滴蒸发过程,Butt等人研究了在表面有油膜和无油膜时液滴的蒸发。如图2所示中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址,在表面涂有油膜的液滴蒸发得更慢中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址,形成更均匀的图案。蒸发过程中,液滴表面(a)上有两条明显的接触线(界面):液体-液体-空气接触线(CLLA)和液体-液体-固体接触线(CLLS)。相比之下中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址,由于液滴内部向外产生的毛细流动,在没有修饰的玻璃表面(b)上的液滴蒸发速度明显加快中国竞猜网网址,而且只有一条接触线中国竞猜网网址,即液--固接触线(CLAS),并产生了典型的咖啡环中国竞猜网网址。





此外中国竞猜网网址,图2a)说明胶体颗粒有从体相向界面(CLLA)上迁移并在那里聚集的趋势中国竞猜网网址。这种现象是由于在油膜的水滴表面在底边CLLS位置的蒸发受阻造成的(黄色区域)中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址。只有在液滴中没有被油膜覆盖的区域才会发生蒸发中国竞猜网网址,这种局部蒸发导致液滴内颗粒物质的向上流动中国竞猜网网址。这些集中到液滴上表面的粒子,在蒸发过程中更容易在基底上发生均匀沉积。油的粘度中国竞猜网网址、油膜厚度中国竞猜网网址、液滴尺寸和胶体粒子的浓度都对沉积模式有影响中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址。


为了更深入地理解蒸发过程中的颗粒流动模式中国竞猜网网址中国竞猜网网址,他们使用荧光聚苯乙烯颗粒作为示踪剂中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址,并通过激光共焦显微镜跟踪这一过程中国竞猜网网址。结果表明中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址,在表面有油膜的液滴其沉积半径随时间而减小中国竞猜网网址中国竞猜网网址,但是其在油滴边缘的接触角变化不大(CCA模式中国竞猜网网址中国竞猜网网址,接触角不变)中国竞猜网网址中国竞猜网网址。这一现象表明在随着液滴边缘不断后退中国竞猜网网址,胶体颗粒被钉在基底表面并不是立即产生的。





3: 油膜表面水滴蒸发机理研究



相比之下中国竞猜网网址,在无油膜液滴的表面中国竞猜网网址,沉积半径基本没有变化中国竞猜网网址,并且接触角比有油膜液滴的表面小得多,并且在整个蒸发过程中接触角逐渐减?中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址。?/span>CCR模式,底圆半径不变)中国竞猜网网址中国竞猜网网址。这是因为对于无油膜液滴表面中国竞猜网网址,颗粒在蒸发开始时已经被固定在表面上中国竞猜网网址中国竞猜网网址。


这项研究证明了一种新的策略中国竞猜网网址,通过在固体表面进行油膜包覆,调控水滴蒸发速率、机理和过程中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址中国竞猜网网址,使液滴在有油膜的表面发生蒸发来避免“咖啡环效应”(非均匀沉积)的产生中国竞猜网网址,从而在液滴蒸发过程中保证悬浮胶体颗粒的均匀沉积。Butt等指出在有油膜的表面上的液滴蒸发分两个阶段进行(如图3所示):首先中国竞猜网网址,由于水蒸发仅发生在未覆盖油膜的液滴区域中国竞猜网网址,液滴中产生向上流动中国竞猜网网址,将颗粒带到上表面层并形成粒子单层中国竞猜网网址,一段时间后液滴表面被颗粒完全占据(第一阶段)中国竞猜网网址中国竞猜网网址。在水滴进一步蒸发失水后,上表面的颗粒层将沉积在基底上中国竞猜网网址中国竞猜网网址,导致颗粒分布非常均匀中国竞猜网网址,实现均匀沉积和分布(第二阶段)。



使用仪器:dataphysics OCA 35 接触角测量仪, DCAT 11 /界面张力仪

(厂家:Dataphysics Instruments GmbH, 德国)










关于该仪器的相关信息及技术支持中国竞猜网网址中国竞猜网网址,请咨询:北京奥德利诺仪器有限公司





北京奥德利诺仪器有限公司

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