Effetto anello caffè
In fisica, un " anello di caffè " è un modello lasciato da una pozza di liquido carico di particelle dopo che è evaporato. Il fenomeno prende il nome dal caratteristico deposito ad anello lungo il perimetro di una fuoriuscita di caffè. Si vede anche comunemente dopo aver rovesciato vino rosso. Il meccanismo dietro la formazione di questi e simili anelli è noto come effetto dell'anello di caffè o in alcuni casi, l' effetto di macchia di caffè o semplicemente macchia di anello .
Meccanismo di flusso
Il motivo ad anello di caffè ha origine dal flusso capillare indotto dai tassi di evaporazione differenziali attraverso la goccia: il liquido che evapora dal bordo viene riempito di liquido dall'interno. Il flusso verso il bordo risultante può trasportare quasi tutto il materiale disperso sul bordo. In funzione del tempo, questo processo mostra un effetto di "ora di punta", ovvero una rapida accelerazione del flusso verso l'esterno nella fase finale del processo di essiccazione.
L'evaporazione induce un flusso di Marangoni all'interno di una goccia. Il flusso, se forte, ridistribuisce le particelle al centro della goccia. Pertanto, affinché le particelle si accumulino ai bordi, il liquido deve avere un flusso Marangoni debole, o deve accadere qualcosa per interrompere il flusso. Ad esempio, i tensioattivi possono essere aggiunti per ridurre il gradiente di tensione superficiale del liquido, interrompendo il flusso indotto. All'inizio l'acqua ha un debole flusso di Marangoni, che viene quindi significativamente ridotto dai tensioattivi naturali.
L'interazione delle particelle sospese in una goccia con la superficie libera della goccia è importante nella creazione di un anello di caffè. "Quando la goccia evapora, la superficie libera collassa e intrappola le particelle sospese .. alla fine tutte le particelle vengono catturate dalla superficie libera e rimangono lì per il resto del loro viaggio verso il bordo della goccia." Questo risultato significa che i tensioattivi possono essere usati per manipolare il movimento delle particelle di soluto modificando la tensione superficiale della goccia, piuttosto che cercare di controllare il flusso di massa all'interno della goccia.
repressione
Il motivo ad anello di caffè è dannoso quando è richiesta l'applicazione uniforme di un deposito secco, come nell'elettronica stampata. Può essere soppresso aggiungendo particelle allungate, come le fibre di cellulosa, alle particelle sferiche che causano l'effetto dell'anello di caffè. La dimensione e la frazione in peso delle particelle aggiunte possono essere inferiori a quelle di quelle primarie.
È stato anche riferito che il controllo del flusso all'interno di una goccia è un modo potente per generare un film uniforme; ad esempio, sfruttando i flussi solubali di Marangoni che si verificano durante l'evaporazione.
Miscele di solventi a basso punto di ebollizione e alto punto di ebollizione hanno dimostrato di sopprimere l'effetto dell'anello di caffè, cambiando la forma di un soluto depositato da una forma ad anello a una forma a punto.
Il controllo della temperatura del substrato ha dimostrato di essere un modo efficace per sopprimere l'anello di caffè formato da goccioline di soluzione PEDOT: PSS a base d'acqua. Su un substrato idrofilo o idrofobo riscaldato, si forma un anello più sottile con un deposito interno, che è attribuito alla convezione Marangoni.
Il controllo delle proprietà di bagnatura del substrato su superfici scivolose può impedire il bloccaggio della linea di contatto di caduta, che quindi sopprimerà l'effetto dell'anello di caffè riducendo il numero di particelle depositate sulla linea di contatto. Le gocce su superfici superidrofobiche o impregnate di liquido hanno meno probabilità di avere una linea di contatto appuntata e sopprimono la formazione dell'anello.
L'elettrolettizzazione a tensione alternata può eliminare le macchie di caffè senza la necessità di aggiungere materiali tensioattivi. Il movimento inverso delle particelle può anche ridurre l'effetto dell'anello di caffè a causa della forza capillare vicino alla linea di contatto. L'inversione ha luogo quando la forza capillare prevale sul flusso dell'anello di caffè verso l'esterno dai vincoli geometrici.
Determinanti di dimensioni e modello
La dimensione del limite inferiore di un anello di caffè dipende dalla competizione su scala temporale tra l'evaporazione del liquido e il movimento delle particelle sospese. Quando il liquido evapora molto più velocemente del movimento delle particelle vicino a una linea di contatto trifase, l'anello di caffè non può essere formato con successo. Invece, queste particelle si disperderanno uniformemente su una superficie dopo completa evaporazione del liquido. Per particelle sospese di dimensioni 100 nm, il diametro minimo della struttura dell'anello di caffè risulta essere 10 μm, o circa 10 volte più piccolo della larghezza dei capelli umani. La forma delle particelle nel liquido è responsabile dell'effetto dell'anello di caffè. Su substrati porosi, la competizione tra infiltrazione, movimento delle particelle ed evaporazione del solvente governa la morfologia della deposizione finale.
Il pH della soluzione della goccia influenza il modello di deposito finale. La transizione tra questi schemi è spiegata considerando come le interazioni DLVO come le forze elettrostatiche e Van der Waals modificano il processo di deposizione delle particelle.
applicazioni
L'effetto dell'anello di caffè viene utilizzato nella deposizione convettiva dai ricercatori che desiderano ordinare particelle su un substrato usando un assemblaggio guidato da capillari, sostituendo una gocciolina fissa con un menisco in avanti disegnato attraverso il substrato. Questo processo differisce dal rivestimento per immersione in quanto l'evaporazione spinge il flusso lungo il substrato rispetto alla gravità.
La deposizione convettiva può controllare l'orientamento delle particelle, causando la formazione di pellicole monostrato cristalline da particelle non sferiche come particelle emisferiche, dimero e a forma di manubrio. L'orientamento è garantito dal sistema che cerca di raggiungere uno stato di massimo impaccamento delle particelle nel sottile strato di menisco sul quale si verifica l'evaporazione. Hanno dimostrato che l'ottimizzazione della frazione volumetrica delle particelle nella soluzione controllerà la posizione specifica lungo lo spessore del menisco variabile in corrispondenza del quale avviene l'assemblaggio. Le particelle si allineeranno con il loro asse lungo all'interno o all'esterno del piano a seconda che la loro dimensione più lunga della particella fosse o meno uguale allo spessore dello strato bagnante nella posizione del menisco. Tali transizioni di spessore sono state stabilite anche con particelle sferiche. Successivamente è stato dimostrato che l'assemblaggio convettivo potrebbe controllare l'orientamento delle particelle nell'assemblaggio di più strati, risultando in cristalli colloidali 3D a lungo raggio da particelle a forma di manubrio. Questi reperti erano attraenti per l'autoassemblaggio di pellicole di cristallo colloidale per applicazioni come la fotonica. I recenti progressi hanno aumentato l'applicazione dell'assemblaggio dell'anello di caffè dalle particelle colloidali ai modelli organizzati di cristalli inorganici.
