[論文レビュー] Role of the free surface in particle deposition during evaporation of colloidal sessile drops

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

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ひとこと要約

本研究は、蒸発するコロイド性セッサイルドロップ内の粒子沈着が、主に粒子が後退する自由表面に捕獲されることによって支配されることを明らかにした。解析的に導出された速度場とラグランジュ粒子追跡を用いて、著者らは、接触線のピン留めまたは可動性が沈着をさらに調整する中で、濡れ性と非濡れ性の両方のドロップにおいて表面捕獲がパターン形成を支配することを示した。このモデルは実験データと強く一致する。

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.

研究の動機と目的

• 蒸発するセッサイルドロップ内での粒子沈着パターンを支配する主な物理的メカニズムを理解すること。
• 特にキャピラリー流の効果と比較して、自由表面が粒子を捕獲する役割を調査すること。
• ピン留めおよび自由に動く接触線を想定した、解析的に決定された流れ場とラグランジュ追跡を用いた粒子運動のモデル化。
• 濡れ性および非濡れ性系において、理論的予測と実験データを比較すること。
• 気相反射拡散によって駆動される蒸発フラックス分布が、流れおよび沈着パターンに与える影響を特定すること。

提案手法

• 質量保存および気相反射拡散によって駆動される蒸発フラックスに基づいて、蒸発するドロップ内での速度場を解析的に導出する。
• 解析的に計算された速度場を用いてラグランジュ粒子追跡を行い、個々の粒子軌道をシミュレートする。
• 蒸発に伴い後退する自由表面の動的挙動をモデル化し、粒子が交差した時点で捕獲されたとみなす。
• 接触線境界条件（ピン留めまたは自由に動く）を組み込み、異なる濡れ性を模擬する。
• 気相反射拡散から導かれる蒸発フラックス分布を用いて、ドロップ内での対流を駆動する。
• シミュレートされた沈着パターンと既存の実験データを比較し、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 蒸発するセッサイルドロップ内での粒子沈着を支配する主なメカニズムはキャピラリー流か自由表面捕獲か？
• RQ2 後退する自由表面は粒子輸送および最終的な沈着パターンにどのように影響するか？
• RQ3 接触線のピン留めまたは可動性は、濡れ性および非濡れ性系における沈着モルフォロジーにどのように影響するか？
• RQ4 気相反射拡散によって駆動される蒸発フラックスが、流れの構造および粒子運動にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 解析的流れ場に基づく理論的予測は、実験的沈着パターンとどの程度一致するか？

主な発見

• 大部分の粒子が蒸発中に後退する自由表面に交差しており、表面捕獲が粒子沈着の主なメカニズムであることを示している。
• 自由表面捕獲は、強力なキャピラリー対流が存在しない場合でも、実験的に観察されたリング状の沈着パターンを説明できる。
• ピン留めまたは自由に動く接触線の両方を想定したモデルは、濡れ性および非濡れ性ドロップの両方で、実験的沈着パターンを成功裏に再現した。
• 気相反射拡散によって駆動される蒸発フラックス分布が、粒子の運動を自由表面に向かって誘導する必要十分な流れ場を生成する。
• 接触線のピン留めまたは可動性は、流れ場のトポロジーを変化させ、その結果、捕獲された粒子の空間的分布が変化する。
• 解析的速度場とラグランジュ追跡に基づく理論的枠組みは、実験的観察と定量的に一貫した結果をもたらした。