温度不均一基板におけるコーヒーステイン現象の解析

Indian Institute of Technology Bombayの研究グループが、温度不均一な基板上におけるコロイドを含む水滴の乾燥挙動を観察し、その現象を明らかにしました。

この研究成果は、Colloids and Surfaces Aに掲載されています。

この記事は下記論文の紹介記事です。

論文：

Malla, Laxman K., Rajneesh Bhardwaj, and Adrian Neild. "Colloidal Deposit of an Evaporating Sessile Droplet on a Non-uniformly Heated Substrate." Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects (2019): 124009.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927775719310003

固体表面上の付着液滴の中でのコロイド粒子の自己組織化は、過去20年の界面科学でよく研究されている問題であり、コーヒーリング効果としても知られています。

すでに蒸発薄膜中のコロイド粒子の自己集合について報告された多くの研究があります。

また自己集合の代表的な現象であるコーヒーリング効果は、いくつかの技術的なアプリケーションの設計に極めて重要です。

基板全体の温度勾配が熱毛細管の移動と純粋な液滴内の内部流れ場に及ぼす影響は過去の研究により十分に確立されていますが、加熱された基板においてコロイド懸濁液の液滴が不均一に蒸発する過程における流動に関しては詳細な報告はなされていません。

このような背景から、本グループは、不均一に加熱された基板上の乾燥コロイド堆積物のパターンとプロファイルを調査しました。特に、粒子サイズと温度勾配の強度が堆積物に与える影響を調査しています。

温度勾配のある基板におけるコーヒーステイン現象（Science Direct HPより）

温度勾配はペルチェ冷却器を使用して課され、側面の視覚化、赤外線サーモグラフィ、光学顕微鏡、および光学形状測定がデータを収集するために採用されました。

均一に加熱された基板上には、軸対称のマランゴニ再循環に起因し、以前のレポートと一致する内部堆積物のあるリングが得られます。しかし、不均一に反応した基板上に形成されたリングの寸法は、基板の高温側と低温側で大きく異なり、温度勾配と粒子サイズの関数であることがわかったとのことです。

粒子サイズが小さい場合、温度が高い側の接触線が動き、2つの非対称マランゴニ再循環とともに、冷却側のリング幅が大きくなりました。対照的に、より大きな粒子の場合、接触線は固定されたままであり、双対の非対称マランゴニ再循環は、高温側でより多くの粒子を移流し、高温側でより大きなリング幅をもたらしました。

温度勾配を大きくすると、再循環が強くなるため、粒子サイズに応じてリング幅が大幅に増加または減少することを示しました。

本研究では理論モデルを使用して、接触線のピン止めまたはピン止め解除における粒子サイズの役割を確認しています。

接触線の近くに積み重ねられた粒子の表面張力が粒子の抗力と摩擦力に打ち勝つため、より小さい粒子の場合のピン止め解除が発生することがわかりました。

本研究により、温度勾配上の堆積パターンを分類するレジームマップが提案されました。

体積パターンとして3つのレジームが提案されており、最初のレジームは均一なリングを形成するものです。既に報告されているコーヒーリング効果は均一に加熱されていないか、均一に加熱された基材に対応します。

2番目のレジームは、低温側のより厚いリングです。、蒸発する液滴内部の非対称双子マランゴニ再循環と、より小さな粒子の存在下でのピン止め解除によって説明されます。3番目のレジームは、高温側のより厚いリングです。これは、双子のマランゴニ再循環と、より大きな粒子で固定された接触線に起因します。

本研究によって得られた結果は、不均一に加熱された基板上のリング形成に関する基本的な洞察を提供し、関連する技術的アプリケーションの設計に役立ちます。

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