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通過調控液滴蒸發抑制表面產生咖啡環效應實現微粒均勻沉積
關鍵詞：咖啡環效應，均勻沉積，接觸角，蒸發模式
簡介：在懸浮液蒸發過程中，必免咖啡環效應，實現固體顆粒的均勻沉積，是科學技術領域的巨大挑戰。Butt等人提出了通過調控液滴蒸發，抑制表面產生咖啡環效應，實現微粒均勻沉積的新策略。該研究對很多領域有重要的潛在應用價值
含有固體顆粒的液滴如何從固體表面蒸發是一個復雜的過程，研究該蒸發過程有利于揭示科學本質和規律。在質量和傳熱的共同作用下，導致產生了一些有趣的現象如“咖啡環效應”--它描述了固體表面上液滴蒸發后膠體粒子產生的不均勻環狀沉積（圖1）。避免“咖啡環效應”實現膠體粒子的均勻沉積在很多領域都是關鍵，如生物傳感器、噴墨打印、噴灑農藥、水性涂料應用、光子學等。近，Butt等人研究了通過在固體表面進行油膜包覆，調控水滴蒸發過程，抑制“咖啡環效應”產生，實現了不對稱超微粒的制備。
圖1: 由表面輪廓儀記錄墨水中的顆粒的環狀沉積，即“咖啡環效應”
如何抑制“咖啡環效應”產生，實現膠體粒子的均勻沉積？
為了清楚理解液滴蒸發過程，Butt等人研究了在表面有油膜和無油膜時液滴的蒸發。如圖2所示，在表面涂有油膜的液滴蒸發得更慢，形成更均勻的圖案。蒸發過程中，液滴表面（a）上有兩條明顯的接觸線（界面）：液體-液體-空氣接觸線（CLLA）和液體-液體-固體接觸線（CLLS）。相比之下，由于液滴內部向外產生的毛細流動，在沒有修飾的玻璃表面（b）上的液滴蒸發速度明顯加快，而且只有一條接觸線，即液-氣-固接觸線（CLAS），并產生了典型的咖啡環。
圖2: （a） 有油膜表面的蒸發過程。（b） 無油膜表面的蒸發過程。
黃色-油相；藍色-水滴；藍色箭頭-蒸發。
此外，圖2（a）說明膠體顆粒有從體相向界面（CLLA）上遷移并在那里聚集的趨勢。這種現象是由于在油膜的水滴表面在底邊CLLS位置的蒸發受阻造成的（黃色區域）。只有在液滴中沒有被油膜覆蓋的區域才會發生蒸發，這種局部蒸發導致液滴內顆粒物質的向上流動。這些集中到液滴上表面的粒子，在蒸發過程中更容易在基底上發生均勻沉積。油的粘度、油膜厚度、液滴尺寸和膠體粒子的濃度都對沉積模式有影響。
為了更深入地理解蒸發過程中的顆粒流動模式，他們使用熒光聚苯乙烯顆粒作為示蹤劑，并通過激光共焦顯微鏡跟蹤這一過程。結果表明，在表面有油膜的液滴其沉積半徑隨時間而減小，但是其在油滴邊緣的接觸角變化不大（CCA模式，接觸角不變）。這一現象表明在隨著液滴邊緣不斷后退，膠體顆粒被釘在基底表面并不是立即產生的。
圖3: 油膜表面水滴蒸發機理研究
相比之下，在無油膜液滴的表面，沉積半徑基本沒有變化，并且接觸角比有油膜液滴的表面小得多，并且在整個蒸發過程中接觸角逐漸減小（CCR模式，底圓半徑不變）。這是因為對于無油膜液滴表面，顆粒在蒸發開始時已經被固定在表面上。
這項研究證明了一種新的策略，通過在固體表面進行油膜包覆，調控水滴蒸發速率、機理和過程，使液滴在有油膜的表面發生蒸發來避免“咖啡環效應”（非均勻沉積）的產生，從而在液滴蒸發過程中保證懸浮膠體顆粒的均勻沉積。Butt等指出在有油膜的表面上的液滴蒸發分兩個階段進行（如圖3所示）：首先，由于水蒸發僅發生在未覆蓋油膜的液滴區域，液滴中產生向上流動，將顆粒帶到上表面層并形成粒子單層，一段時間后液滴表面被顆粒*占據（第1階段）。在水滴進一步蒸發失水后，上表面的顆粒層將沉積在基底上，導致顆粒分布非常均勻，實現均勻沉積和分布（第2階段）。
使用儀器：dataphysics OCA 35 接觸角測量儀， DCAT 11 表/界面張力儀
(廠家：Dataphysics Instruments GmbH, 德國)
詳閱文獻: Control of Droplet Evaporation on Oil-Coated Surfaces for the Synthesis of Asymmetric Supraparticles; Aiting Gao, Jie Liu, Lijun Ye, Clarissa Scho?necker, Michael Kappl, Hans-Ju?rgen Butt and Werner Steffen; Langmuir 2019 35, 14042−14048; DOI: 10.1021/acs.langmuir.9b02464