[论文解读] 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

Nanomaterials and Printing Technologies被引用 3

一句话总结

本研究揭示，在蒸发的胶体铺展液滴中，颗粒沉积主要由颗粒在后退的自由表面被捕获所主导，而非仅由毛细流驱动。通过解析推导的速度场与拉格朗日粒子追踪，作者证明表面捕获在润湿与非润湿液滴中均主导了图案形成，接触线钉扎或可移动性进一步调节沉积行为，且该模型与实验数据高度吻合。

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.

研究动机与目标

• 理解蒸发铺展液滴中颗粒沉积图案的主导物理机制。
• 研究自由表面在蒸发过程中捕获颗粒的作用，尤其与毛细流效应进行对比。
• 利用解析确定的流场与拉格朗日追踪，对固定与自由移动接触线情况下的颗粒运动进行建模。
• 将理论预测与润湿与非润湿体系中的实验数据进行比较。
• 确定由气相扩散驱动的蒸发通量分布如何影响流动与沉积图案。

提出的方法

• 基于质量守恒与气相扩散驱动的蒸发通量，解析推导蒸发液滴内部的速度场。
• 利用解析计算得到的速度场进行拉格朗日粒子追踪，模拟单个颗粒的轨迹。
• 将自由表面动力学建模为蒸发过程中的后退行为，颗粒在与表面相交时即视为被捕获。
• 引入接触线边界条件：固定或自由移动，以模拟不同的润湿行为。
• 采用由气相扩散导出的蒸发通量分布，驱动液滴内部的对流流动。
• 将模拟的沉积图案与现有实验数据进行对比，以验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在蒸发铺展液滴中，颗粒沉积的主要机制是毛细流还是自由表面捕获？
• RQ2 后退的自由表面如何影响颗粒输运与最终的沉积图案？
• RQ3 接触线钉扎或可移动性如何影响润湿与非润湿体系中的沉积形态？
• RQ4 由气相扩散驱动的蒸发通量在多大程度上决定了流动结构与颗粒运动？
• RQ5 基于解析流场的理论预测与实验沉积图案的吻合程度如何？

主要发现

• 绝大多数颗粒在蒸发过程中与后退的自由表面相交，表明表面捕获是颗粒沉积的主导机制。
• 表面捕获可解释实验中观察到的环状沉积图案，即使在缺乏强毛细对流的情况下亦成立。
• 该模型成功再现了润湿与非润湿液滴的实验沉积图案，无论接触线是否可移动。
• 由气相扩散驱动的蒸发通量分布生成了引导颗粒向自由表面运动的必要流场。
• 接触线钉扎或可移动性改变了流场拓扑结构，从而改变化学捕获颗粒的空间分布。
• 基于解析速度场与拉格朗日追踪的理论框架，其结果与实验观测具有定量一致性。