Первичный механизм образования испарительного рисунка известен давно: вода испаряется быстрее на краю капли, что приводит к возникновению потока жидкости, несущего растворенные вещества на всем пути к краю. Здесь субнанометровые молекулы соли, «коллоиды» микронного размера или гранулированные частицы кофе образуют агрегаты, приводящие к остаточным повседневным образцам.Но как происходит переход между разными типами паттернов? Можем ли мы контролировать формирование рисунка, изменяя динамику испарения — тип растворяющейся жидкости, концентрацию частиц или изменяя их размер и форму?
Группа исследователей из Гарвардского университета под руководством Л. Махадевана, профессора прикладной математики и физики, изучила эти вопросы и описала свои выводы в журнале Physics of Fluids от AIP Publishing.«Мы в первую очередь сосредоточились — экспериментально и теоретически — на переходе между периодическими полосами и однородными пленками, которые образуются в результате осаждения, вызванного высыханием, на подложку, вертикально погруженную в летучую суспензию», — пояснил Надир Каплан, ведущий автор и автор постдокторант по прикладной математике Школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона Гарвардского университета.
Таким образом, команда обнаружила, что механизм группирования и съёмки на удивление прост. «Пока жидкость испаряется, одновременно происходят две вещи: во-первых, уровень жидкости в контейнере уменьшается, а во-вторых, на кончике мениска [изогнутой верхней поверхности жидкости в контейнере] образуется отложение, которое появляется, когда жидкость поднимается по стеклянной стене на желаемую высоту », — сказал Каплан. «При низких концентрациях частиц, когда отложение растет медленнее, чем скорость снижения уровня жидкости, уровень жидкости перемещается от отложения. Мениск между ними неизбежно превышает высоту, которую жидкость может поддерживать, и« разрушается ». В результате образуется одна полоса, а периодические полосы образуются по мере повторения процесса. Однако при достаточно высоких концентрациях частиц осадок растет достаточно быстро, так что можно избежать разрушения мениска и образования однородных пленок ».Основываясь на этом простом механизме, «мы теоретически определили критическую концентрацию, при которой происходит переход от полосатости к пленке, и как размер каждой полосы зависит от концентрации растворенного вещества, и показали, что мы можем объяснить основные особенности наших экспериментов, "сказал Каплан.
Ключевой особенностью теории группы является способность учитывать многофазный характер системы — твердую фазу (частицы) и жидкую фазу (растворитель), используя идеи, которые ранее были развиты Махадеваном и его коллегами при исследовании кровоток и закупорка. «Когда суспензия является плотной, динамика растворенного вещества и растворителя может значительно отличаться друг от друга, и наше исследование позволяет нам описать эти явления простым способом», — сказал Махадеван.По словам Каплана, из-за задействованных мелких частиц «управление физическими процессами в работе оказывается более эффективной стратегией, чем их индивидуальное размещение». «В конце концов, коллоидные частицы могут самоорганизовываться в упорядоченные или неупорядоченные скопления посредством осаждения в летучей жидкости, вызванного испарением». Этот метод широко используется для синтеза фотонных кристаллов — упорядоченных структур, которые избирательно манипулируют светом — или создания материалов с однородными порами для применения в тканевой инженерии или биотехнологии.«Для некоторых приложений, таких как синтез оптических систем, которые можно использовать для управления поглощением и отражением света, предпочтительным является равномерное осаждение пленки.
Для других, таких как строительные материалы, производящие« структурный цвет »путем выборочного отражения света (просто как в опалах или птичьей коже) могут быть предпочтительны полосчатые узоры », — сказала соавтор Джоанна Айзенберг, профессор материаловедения и химии в Гарварде, чья группа провела эксперименты, которые стимулировали это исследование.«Мы показали, что скорость испарения и тонкий баланс между гидродинамическими и поверхностными силами позволяют контролировать тип рисунка, вызванного сушкой», — сказал Махадеван.Хотя команда добилась большего контроля над формированием рисунка в макроскопическом масштабе, «настройка микроскопической организации по скорости потока суспензии остается теоретической загадкой на уровне коллоидных частиц», — отметил Каплан.«Экспериментально порядок и беспорядок в месторождениях в настоящее время контролируются лишь грубо.
Мы надеемся разработать более систематический теоретический подход к этой проблеме, который в конечном итоге поможет нам лучше понять, как связаны поток и порядок, что позволит нам оптимизировать условия для производство структурированных оптических поверхностей для различных областей применения », — сказал Махадеван.