[論文レビュー] Avalanche of particles in evaporating coffee drops

Alvaro Marin, Hanneke Gelderblom+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2010

Nanomaterials and Printing Technologies被引用数 31

ひとこと要約

本研究では、微小PIVおよび粒子追跡を用いて蒸発するコーヒーのドロップ内の粒子輸送ダイナミクスを調査し、ドロップの接触角が消失するに伴い発生する発散する半径方向流れによって駆動される最終段階の粒子アバランチを明らかにした。主な発見は、流体力学的モデルがこの速度発散を予測できることであり、実験的に観察された結晶性の外側のリング構造と詰まり状態の内側層構造を説明している。

ABSTRACT

The pioneering work of Deegan et al. [Nature 389, (1997)] showed how a drying sessile droplet suspension of particles presents a maximum evaporating flux at its contact line which drags liquid and particles creating the well known coffee stain ring. In this Fluid Dynamics Video, measurements using micro Particle Image Velocimetry and Particle Tracking clearly show an avalanche of particles being dragged in the last moments, for vanishing contact angles and droplet height. This explains the different characteristic packing of the particles in the layers of the ring: the outer one resembles a crystalline array, while the inner one looks more like a jammed granular fluid. Using the basic hydrodynamic model used by Deegan et al. [Phys. Rev. E 62, (2000)] it will be shown how the liquid radial velocity diverges as the droplet life comes to an end, yielding a good comparison with the experimental data.

研究の動機と目的

• ドロップ蒸発の最終段階における粒子輸送ダイナミクスを理解すること。
• コーヒーのリング堆積物に観察された特徴的な粒子パッケージング構造（結晶性の外側リングと詰まり状態の内側層）の形成を説明すること。
• ドロップが完全に蒸発に近づくに従い、接触線付近の粒子の半径方向速度を定量化すること。
• 接触角がゼロに近づく際の発散流を予測する流体力学的モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• ドロップの底面における時間分解速度場を測定するために、マイクロ粒子画像速度計測法（μPIV）が用いられた。
• 長距離顕微鏡と強化カメラを装備した逆置き顕微鏡を用いて、側面および底面からの撮影が行われた。
• 側面画像からドロップの幾何形状（体積、半径、接触角）を特定するためのカスタムMATLABアルゴリズムが開発された。
• x40倍の拡大倍率で撮影された底面画像から粒子速度を抽出するための自作μPIVアルゴリズムが開発された。
• 接触角がゼロに近づく際の半径方向流れの発散を予測するために、Deeganら（2000）の流体力学的モデルが適用された。
• 3 µLのドロップに0.2% w/wの蛍光性ポリスチレン粒子（1 µm）を用い、23 °Cおよび30%の湿度下で蒸発を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドロップ蒸発の最終段階で粒子が急激に蓄積される原因は何ですか？
• RQ2 接触角が減少するに従い、粒子の半径方向速度はどのように変化するでしょうか？
• RQ3 コーヒーのリングの外側と内側領域が、なぜ異なる粒子パッケージングの形態を示すのでしょうか？
• RQ4 Deeganらの流体力学的モデルは、観察された速度発散をどの程度正確に予測できるでしょうか？
• RQ5 蒸発の終盤に近い段階で、実験的測定速度と理論的予測との一致度はどの程度でしょうか？

主な発見

• ドロップの接触角がゼロに近づくに従い、粒子の半径方向速度が発散することが確認され、理論的予測と一致した。
• 蒸発の最終段階で、この速度発散によって駆動される明確な粒子アバランチが観察された。
• 外側のリング部では結晶性に似た粒子配列が観察された一方、内側領域ではより無秩序で詰まり状態の配置が見られた。
• 実験的μPIVデータは、Deeganら（2000）の流体力学的モデルによる流れの発散予測と良好な一致を示した。
• ドロップの体積と接触角がリアルタイムで追跡され、完全蒸発に近づくに従い急激な粒子輸送の発生が確認された。
• 同時に取得された側面および底面の画像により、ドロップ形状と粒子ダイナミクスの完全な特徴化が可能になった。