[論文レビュー] Evaporation of droplets on strong and low-pinning surfaces and dynamics of the triple line

Edward Bormashenko, Albina Musin+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2011

Fluid Dynamics and Heat Transfer参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、低ピン留着（高分子）および強ピン留着（金属）表面における液滴の蒸発を調査し、三相線におけるエネルギー障壁が原因で高分子表面ではスティック・スリップ運動が発生するのに対し、金属表面では巨大な接触角ヒステリシスが観察されることを明らかにした。Shanahan-Sefianeモデルはスティック時間の予測に正確に適合しており、測定されたポテンシャル障壁が報告され、平衡接触角の概念が洗練された。

ABSTRACT

Evaporation of water droplets deposited on metal and polymer substrates was studied. The evaporated droplet demonstrates different behaviors on low-pinning (polymer) and strong-pinning (metallic) surfaces. When deposited on polymer surfaces, the evaporated droplet is featured by stick-slip sliding, whereas on strong-pinning metallic surfaces it does not show such kind of motion and demonstrates the giant contact-angle hysteresis. Stick-slip motion of droplets is described satisfactorily by the Shanahan-Sefiane model relating this kind of motion to surmounting potential barriers caused by the pinning of the triple (three-phase) line. The experimentally established "stick" times coincide with the values predicted by the Shanahan-Sefiane theory. The values of potential barriers are reported. The notion of the equilibrium contact angle is refined.

研究の動機と目的

• 異なる基板上での液滴蒸発における三相線のダイナミクスを理解すること。
• 低ピン留着性高分子表面におけるスティック・スリップ運動と、強ピン留着性金属表面におけるピン留着行動を比較すること。
• 実験データを用いてShanahan-Sefianeモデルがスティック・スリップダイナミクスを予測するかを検証すること。
• 液滴のピン留着を引き起こすポテンシャルエネルギー障壁の大きさを定量化すること。
• 実験的観察に基づいて、平衡接触角の定義を洗練させること。

提案手法

• 金属および高分子基板上での水滴の蒸発を実験的に観察すること。
• 高分子表面におけるスティック・スリップ運動の継続時間および頻度を測定すること。
• Shanahan-Sefianeモデルを適用し、スティック・スリップ行動と三相線におけるエネルギー障壁を関連付けること。
• 実験的に測定したスティック時間からポテンシャル障壁の高さを計算すること。
• 金属表面における接触角ヒステリシスの分析を通じてピン留着の強度を評価すること。
• 動的ピン留着データを用いて平衡接触角を再評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低ピン留着性高分子表面と強ピン留着性金属表面における液滴の蒸発は、どのように異なるか？
• RQ2 蒸発する液滴が高分子表面でスティック・スリップ運動を示す原因は何か？
• RQ3 Shanahan-Sefianeモデルは、観察されたスティック・スリップ時間の予測にどの程度正確に適合するか？
• RQ4 三相線における液滴の運動を妨げるエネルギー障壁の大きさは何か？
• RQ5 動的ピン留着は、平衡接触角の定義および測定にどのように影響を与えるか？

主な発見

• スティック・スリップ運動は高分子基板上で実験的に観察され、スティック時間はShanahan-Sefianeモデルの予測と一致した。
• 液滴のピン留着を引き起こすポテンシャルエネルギー障壁は定量化され、理論的予測と整合的であった。
• 金属表面では、液滴が巨大な接触角ヒステリシスを示し、三相線における強いピン留着が示された。
• 本研究では、動的ピン留着効果を考慮した洗練された平衡接触角の理解が得られた。
• Shanahan-Sefianeモデルは、低ピン留着表面における液滴運動のダイナミクスをうまく記述できた。
• 実験データは、液滴の運動が三相線におけるエネルギー障壁の形状に支配されており、測定可能な障壁高さを持つことを確認した。