Effet anneau café - Coffee ring effect

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Taches produites par l'évaporation des déversements de café

Dans la physique, une "anneau de café"est un motif laissé par une flaque de liquide chargé de particules après s'évapore. Le phénomène est nommé pour le dépôt en forme d'anneau caractéristique le long du périmètre d'un déversement de café. Il est également fréquemment observé après avoir renversé du vin rouge. Le mécanisme derrière la formation de ces anneaux et similaires est connu sous le nom de effet anneau de café ou dans certains cas, le effet de tache de café, ou simplement tache d'anneau.

Mécanisme d'écoulement

Le motif de l'anneau de café provient du écoulement capillaire induite par l'évaporation de la goutte: le liquide qui s'évapore du bord est reconstitué par le liquide de l'intérieur.[1] L'écoulement vers le bord résultant peut transporter presque tout le matériau dispersé vers le bord. En fonction du temps, ce procédé présente un effet "heure de pointe", c'est-à-dire une accélération rapide de l'écoulement vers le bord au stade final du procédé de séchage.[2]

L'évaporation induit un Flux de Marangoni à l'intérieur d'une gouttelette. Le flux, s'il est fort, redistribue les particules au centre de la gouttelette. Ainsi, pour que les particules s'accumulent sur les bords, le liquide doit avoir un faible flux de Marangoni, ou quelque chose doit se produire pour perturber le flux.[3] Par exemple, tensioactifs peut être ajouté pour réduire le gradient de tension superficielle du liquide, perturbant le flux induit. L'eau a un faible débit de Marangoni au départ, qui est ensuite considérablement réduit par les tensioactifs naturels.[4]

L'interaction des particules en suspension dans une gouttelette avec la surface libre de la gouttelette est importante pour créer un anneau de café.[5] "Lorsque la goutte s'évapore, la surface libre s'effondre et emprisonne les particules en suspension ... finalement toutes les particules sont capturées par la surface libre et y restent pour le reste de leur voyage vers le bord de la goutte."[6] Ce résultat signifie que les tensioactifs peuvent être utilisés pour manipuler le mouvement des particules de soluté en modifiant la tension superficielle de la goutte, plutôt que d'essayer de contrôler le flux de masse à l'intérieur de la goutte.

Suppression

Taches produites par des mélanges colloïdaux de polystyrène particules (diamètre 1,4 µm) et fibres de cellulose (diamètre environ 20 nm, longueur environ 1 µm). La concentration en polystyrène est fixée à 0,1% en poids et celle de la cellulose est de 0 (à gauche), 0,01 (au centre) et 0,1% en poids (à droite).[2]

Le motif café-anneau est préjudiciable lorsqu'une application uniforme d'un dépôt séché est nécessaire, comme dans électronique imprimée. Il peut être supprimé en ajoutant des particules allongées, telles que cellulose fibres, aux particules sphériques qui provoquent l'effet d'anneau de café. La taille et la fraction pondérale des particules ajoutées peuvent être inférieures à celles des particules primaires.[2]

Il est également rapporté que le contrôle de l'écoulement à l'intérieur d'une gouttelette est un moyen puissant de générer un film uniforme; par exemple, en exploitant les écoulements solutaux de Marangoni se produisant lors de l'évaporation.[7]

Mélanges de faible point d'ébullition et il a été montré que les solvants à point d'ébullition élevé suppriment l'effet d'anneau de café, changeant la forme d'un soluté déposé d'une forme en forme d'anneau à une forme en forme de point.[8]

Le contrôle de la température du substrat s'est avéré être un moyen efficace de supprimer l'anneau de café formé par des gouttelettes de solution aqueuse. PÉDOT: PSS Solution.[9] Sur un substrat hydrophile ou hydrophobe chauffé, un anneau plus mince avec un dépôt interne se forme, ce qui est attribué à la convection de Marangoni.[10]

Le contrôle des propriétés de mouillage du substrat sur des surfaces glissantes peut empêcher l'épinglage de la ligne de contact de goutte, ce qui supprimera par conséquent l'effet d'anneau de café en réduisant le nombre de particules déposées au niveau de la ligne de contact. Les gouttes sur les surfaces superhydrophobes ou imprégnées de liquide sont moins susceptibles d'avoir une ligne de contact épinglée et supprimeront la formation d'anneaux.[11]Les gouttes avec un anneau d'huile formé au niveau de la ligne de contact de goutte ont une mobilité élevée et peuvent éviter la formation d'anneau sur les surfaces hydrophobes.[12]

Tension alternative électromouillage peut supprimer les taches de café sans qu'il soit nécessaire d'ajouter des matières tensioactives.[13] Le mouvement inverse des particules peut également réduire l'effet de café en raison du force capillaire près de la ligne de contact.[14] L'inversion a lieu lorsque la force capillaire l'emporte sur l'écoulement de l'anneau de café vers l'extérieur par les contraintes géométriques.

Déterminants de la taille et du motif

La taille limite inférieure d'un anneau de café dépend de la compétition d'échelle de temps entre l'évaporation du liquide et le mouvement des particules en suspension.[15] Lorsque le liquide s'évapore beaucoup plus rapidement que le mouvement des particules près d'une ligne de contact triphasée, l'anneau de café ne peut pas être formé avec succès. Au lieu de cela, ces particules se disperseront uniformément sur une surface lors de l'évaporation complète du liquide. Pour les particules en suspension de taille 100 nm, le diamètre minimum de la structure en anneau de café est de 10 μm, soit environ 10 fois plus petit que la largeur de cheveux humains. La forme des particules dans le liquide est responsable de l'effet d'anneau de café.[16][17] Sur les substrats poreux, la compétition entre l'infiltration, le mouvement des particules et l'évaporation du solvant régit la morphologie du dépôt final.[18]

Le pH de la solution de la goutte influence le modèle de dépôt final.[19] La transition entre ces modèles est expliquée en considérant comment Interactions DLVO comme le électrostatique et Van der Waals les forces modifient le processus de dépôt des particules.

Applications

L'effet d'anneau de café est utilisé dans le dépôt par convection par les chercheurs souhaitant commander des particules sur un substrat à l'aide d'un assemblage à entraînement capillaire, en remplaçant une gouttelette stationnaire par un ménisque avancé dessiné sur le substrat.[20][21][22] Ce processus diffère du revêtement par immersion en ce que l'évaporation entraîne l'écoulement le long du substrat par opposition à la gravité.

Le dépôt par convection peut contrôler l'orientation des particules, entraînant la formation de films monocouches cristallins à partir de particules non sphériques telles que hémisphériques,[23] dimère,[24] et haltère[25] particules en forme. L'orientation est assurée par le système essayant d'atteindre un état de tassement maximal des particules dans la couche mince de ménisque sur laquelle une évaporation se produit. Ils ont montré que le réglage de la fraction volumique des particules en solution contrôlera l'emplacement spécifique le long de l'épaisseur variable du ménisque à laquelle l'assemblage se produit. Les particules s'aligneront avec leur grand axe dans ou hors du plan selon que leur dimension la plus longue de la particule était égale ou non à l'épaisseur de la couche de mouillage à l'emplacement du ménisque.[25] De telles transitions d'épaisseur ont également été établies avec des particules sphériques.[26] Il a été montré plus tard que l'assemblage par convection pouvait contrôler l'orientation des particules lors de l'assemblage de plusieurs couches, ce qui donnait des cristaux colloïdaux 3D à longue portée à partir de particules en forme d'haltères.[27] Ces découvertes étaient intéressantes pour l'auto-assemblage de films de cristal colloïdal pour des applications telles que la photonique.[27] Des progrès récents ont augmenté l'application de l'assemblage de café-anneau à partir de particules colloïdales à des motifs organisés de cristaux inorganiques.[11]

Les références

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  3. ^ Hein; Larson, R. G. (2006). "L'effet Marangoni inverse les dépôts de café-anneau". Journal de chimie physique B. 110 (14): 7090–7094. est ce que je:10.1021 / jp0609232. PMID 16599468.
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