[논문 리뷰] Avalanche of particles in evaporating coffee drops

Alvaro Marin, Hanneke Gelderblom외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 15.

Nanomaterials and Printing Technologies인용 수 31

한 줄 요약

이 연구는 미세 입자 이미지 속도측정법(micro-PIV)과 입자 추적을 이용하여 증발하는 커피 방울 내 입자 이동 역학을 조사하여, 방울의 접촉 역학 각도가 0에 가까워질 무렵 수렴하는 반경 방향 유량에 의해 유도되는 최종 단계의 입자 붕괴 현상을 규명하였다. 주요 발견은 유체역학 모델이 이 속도 발산을 예측할 수 있음을 보여주며, 실험적으로 관측된 결정질 외곽 고리와 봉쇄된 내부 층의 구조적 차이를 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 방울 증발의 최종 단계에서 입자 이동 역학을 이해하기 위해.
• 커피 링 침전물에서 관측된 특별한 입자 배열 구조—결정질 외곽 고리와 봉쇄된 내부 층의 형성 원인을 설명하기 위해.
• 방울이 완전히 증발에 가까워질 무렵 접선 부근의 입자 반경 방향 속도를 정량화하기 위해.
• 접촉 각도가 0에 가까워질 때 유량이 발산하는 것을 예측하는 유체역학 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 시간에 따라 변화하는 속도장을 측정하기 위해 마이크로 입자 이미지 속도측정법(μPIV)을 사용하여 방울의 바닥 층에서의 유속장을 측정하였다.
• 장거리 매크로 현미경과 강화된 카메라를 장착한 역행 현미경을 사용하여 측면 및 하단 시각 이미징을 수행하였다.
• 측면 시각 이미지에서 방울 기하학적 특성(체적, 반경, 접촉 각도)을 추출하기 위해 자체 개발한 MATLAB 알고리즘을 사용하였다.
• 하단 시각 이미지에서 x40 배율로 촬영한 영상에서 입자 속도를 추출하기 위해 자체 개발한 μPIV 알고리즘을 적용하였다.
• Deegan 등(2000)의 유체역학 모델을 적용하여 접촉 각도가 0에 가까워질수록 반경 방향 유량이 어떻게 발산하는지를 예측하였다.
• 3 µL의 방울에서 0.2% w/w 농도의 형광성 1 µm 폴리스티렌 입자를 사용하였으며, 23 °C와 30% 습도 조건에서 증발 시험을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 방울 증발의 마지막 순간에 입자가 급격히 축적되는 원인은 무엇인가?
• RQ2 접촉 각도가 감소함에 따라 입자의 반경 방향 속도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 커피 링의 외곽부와 내곽부가 서로 다른 입자 배열 형태를 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ4 Deegan 등이 제시한 유체역학 모델이 관측된 속도 발산을 어느 정도 정확하게 예측하는가?
• RQ5 증발의 마지막 단계에서 실험적 속도 측정값과 이론적 예측값은 얼마나 유사한가?

주요 결과

• 방울의 접촉 각도가 0에 가까워질수록 입자의 반경 방향 속도가 발산하는 것으로 나타났으며, 이는 이론적 예측과 일치하였다.
• 증발의 마지막 순간에 이르러 속도 발산에 의해 유도된 뚜렷한 입자 붕괴 현상이 관측되었다.
• 외곽 고리는 결정질에 가까운 입자 배열을 보였고, 내부 영역은 더 무질서하고 봉쇄된 구조를 보였다.
• 실험적 μPIV 데이터는 Deegan 등(2000)의 유체역학 모델이 유량 발산을 예측하는 데 있어 뛰어난 일치도를 보였다.
• 방울의 체적과 접촉 각도를 실시간으로 추적하여, 완전한 증발에 가까워질 무렵 급격한 입자 이동이 시작됨을 확인하였다.
• 동시 측면 및 하단 시각 이미징을 통해 방울의 형상과 입자 운동의 전체적 특성을 특성화할 수 있었다.