[논문 리뷰] Role of the free surface in particle deposition during evaporation of colloidal sessile drops

Hassan Masoud, James D. Felske|arXiv (Cornell University)|2009. 06. 21.

Nanomaterials and Printing Technologies인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 증발하는 콜로이드성 스테이플 드롭에서 입자 침착이 주로 입자가 후퇴하는 자유 표면에 포획될 때 결정되며, 단지 캐필러리 유동 때문이 아니라는 것을 밝혀낸다. 분석적으로 유도된 속도장과 라그랑주 입자 추적을 통해 저자들은 습윤 및 비습윤 드롭 모두에서 표면 포획이 패턴 형성의 주요 원인임을 입증하며, 접선 봉지 또는 이동성에 따라 침착이 추가로 조절됨을 보여주고, 이 모델은 실험 데이터와 강한 일치를 보인다.

ABSTRACT

Deposition patterns of particles suspended in evaporating colloidal drops are determined by the flow fields within the drops. Using analytically determined velocities, particle motions are then tracked in a Lagrangian sense. It is found that the majority of particles intersect the free surface as it recedes. Such capture of particles by the free surface is found to be the major mechanism in establishing the deposition pattern. Patterns are calculated for wetting and non-wetting drops whose contact lines are either pinned or freely moving during evaporation. The distribution of evaporative flux which drives the flows is taken to be that engendered by gas-phase diffusion. The theoretical results are found to agree favorably with available experimental data.

연구 동기 및 목표

• 증발하는 스테이플 드롭에서 입자 침착 패턴을 이끄는 주요 물리적 메커니즘을 이해하는 것.
• 특히 캐필러리 유동 효과와 비교하여 증발 중 자유 표면이 입자를 포획하는 역할을 조사하는 것.
• 고착선이 고정되거나 자유로이 움직이는 경우를 모두 고려하여 분석적으로 결정된 유속장과 라그랑주 추적을 사용해 입자 운동을 모델링하는 것.
• 습윤 및 비습윤 시스템에서 이론적 예측을 실험 데이터와 비교하는 것.
• 기상 확산에 의해 구동되는 증발 유량 분포가 유동 및 침착 패턴에 어떻게 영향을 미치는지 규명하는 것.

제안 방법

• 질량 보존 및 기상 확산에 의해 구동되는 증발 유량을 바탕으로 증발하는 드롭 내 유속장을 분석적으로 유도하는 것.
• 분석적으로 계산된 유속장을 사용해 라그랑주 입자 추적을 수행하여 개별 입자 궤적을 시뮬레이션하는 것.
• 증발 동안 후퇴하는 자유 표면 역학을 모델링하며, 입자가 교차할 경우 포획된 것으로 간주하는 것.
• 고착선 경계 조건(고정 또는 자유로이 이동 가능)을 통합하여 다양한 습윤 행동을 시뮬레이션하는 것.
• 기상에서의 확산에 의해 유도된 증발 유량 분포를 사용해 드롭 내부의 대류 유동을 구동하는 것.
• 모의된 침착 패턴을 기존 실험 데이터와 비교하여 모델의 타당성을 검증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 증발하는 스테이플 드롭에서 입자 침착의 주요 원인은 캐필러리 유동인가, 자유 표면 포획인가?
• RQ2 후퇴하는 자유 표면은 입자 운반 및 최종 침착 패턴에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 고착선의 고정 또는 이동성은 습윤 및 비습윤 시스템에서 침착 형태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 기상 확산에 의해 구동되는 증발 유량 분포가 얼마나 많은 유동 구조 및 입자 운동을 결정하는가?
• RQ5 분석적 유속장과 라그랑주 추적을 기반으로 한 이론적 예측이 실험적 침착 패턴과 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• 대부분의 입자들이 증발 동안 후퇴하는 자유 표면과 교차함을 통해 표면 포획이 입자 침착의 주요 메커니즘이 됨을 나타낸다.
• 자유 표면 포획은 강한 캐필러리 대류가 없더라도 실험적으로 관찰된 고리형 침착 패턴을 설명할 수 있다.
• 고착선 이동성과 관계없이 습윤 및 비습윤 드롭 모두에서 모델이 실험적 침착 패턴을 성공적으로 재현한다.
• 기상 확산에 의해 유도된 증발 유량 분포는 입자 운동을 자유 표면 쪽으로 이끄는 데 필요한 유속장을 생성한다.
• 고착선의 고정 또는 이동성은 유속장의 위상 구조를 변화시켜 포획된 입자의 공간 분포를 수정한다.
• 분석적 유속장과 라그랑주 추적을 기반으로 한 이론적 프레임워크는 실험 관찰과 정량적으로 일치하는 결과를 도출한다.