咖啡環效應在物理學和日常生活中是一種眾所周知的效應,即當一滴咖啡滴落桌面時,其顆粒物質就會在桌面上留下一個染色的污漬,並且污漬的顏色是不均勻的,邊緣部分要比中間更深一些,形成環狀斑的現象。特溫特大學科學傢的一項研究表明,這是由於粒子向外邊緣移動的“雪崩”造成。在噴墨和3-D打印中,這是不需要的效果,需要被克服。

現在,根據發表在《美國國傢科學院院刊》(PNAS)上的研究成果,科學傢已經證明,可以通過使用油性層修改表面來抑制這種效應。德克薩斯大學研究小組的早期研究表明,如果一個充滿顆粒的液滴蒸發,顆粒就會開始移動到液滴的邊緣。起初,這是一個緩慢而有規律的運動,但一旦液滴因蒸發而失去高度,顆粒就會無序地沖到邊緣,就像雪崩一樣。液體完全蒸發後,仍然有一個黑色的環。

事實上,液滴的直徑很早就決定瞭這一過程。研究試圖防止這種情況,因為在許多情況下,需要均勻的分佈,而不是環形的暗區。新研究結果顯示,一個油潤的表面是答案。在這種情況下,液滴也有邊緣,但它受到一層不會蒸發的油層限制。它還可以防止液滴邊緣的水迅速蒸發,進而防止顆粒移動到邊緣。它們甚至以另一種方式移動:從液滴的邊緣到內部。一旦所有的水都蒸發瞭,顆粒就會均勻地覆蓋在表面,而不是形成一個環。

攻克咖啡環效應污漬難題

研究人員還看到瞭另一種效果:油層完全覆蓋瞭液滴。在這種情況下,會形成一種顆粒濃度,即所謂的納米眼或“咖啡眼”。這可能是某些應用(如納米顆粒組裝)所期望的效果。通過在液滴中加入表面活性劑,可以將最終的粒子沉積從濃縮的咖啡環控制到均勻分佈。流體物理小組與打印機制造商建立瞭長期的研究關系。在打印機塗抹液滴之前在基材(如紙張)上添加瞭一層特殊的塗層。

新研究成果對工藝的改進非常有價值,新的見解和改進的控制對其他應用也有價值,如三維打印和表面圖案化。更好地洞察液體在表面蒸發的方式,也可能提供更多關於病毒從一個人傳播到另一個人方式的知識。這項研究是在流體物理學小組和馬克斯·普朗克復雜流體動力學中心進行。一般情況下,蒸發懸浮液滴會留下環狀污漬。對於許多需要均勻沉積的應用,這些污漬意味著一個主要問題。

這尤其適用於噴墨打印、表面圖案化、自組裝和3D打印技術。研究提供瞭一種穩定的方法,通過讓充滿顆粒的液滴,在油潤濕的表面蒸發來抑制咖啡污漬效應。通過添加表面活性劑來調節液滴的表面能,可以控制液滴周圍薄膜的接觸線行為、流動結構和潤濕狀態,從而實現可控的粒子沉積。其研究發現可能為均勻塗層在上述應用中開辟前景,但也適用於其他復雜的液滴蒸發,例如用於控制疾病傳播和農業。

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博科園|研究/來自:特溫特大學

參考期刊《美國國傢科學院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.2006153117

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