Efecto anillo de café

En física, un "anillo de café" es un patrón dejado por un charco de líquido cargado de partículas después de evaporarse. El fenómeno lleva el nombre del característico depósito en forma de anillo a lo largo del perímetro de un derrame de café. También se ve comúnmente después de derramar vino tinto. El mecanismo detrás de la formación de estos y otros anillos similares se conoce como efecto anillo de café o, en algunos casos, efecto mancha de café, o simplemente mancha anular. b>.

Mecanismo de flujo

El patrón de anillos de café se origina a partir del flujo capilar inducido por la evaporación de la gota: el líquido que se evapora desde el borde se repone con el líquido del interior. La corriente resultante puede transportar casi todo el material disperso hasta el borde. En función del tiempo, este proceso presenta una "hora punta" efecto, es decir, una rápida aceleración del flujo hacia el borde en la etapa final del proceso de secado.

La evaporación induce un flujo Marangoni dentro de una gota. El flujo, si es fuerte, redistribuye las partículas hacia el centro de la gota. Por lo tanto, para que las partículas se acumulen en los bordes, el líquido debe tener un flujo Marangoni débil, o debe ocurrir algo que interrumpa el flujo. Por ejemplo, se pueden agregar tensioactivos para reducir el gradiente de tensión superficial del líquido, interrumpiendo el flujo inducido. Para empezar, el agua tiene un flujo débil de Marangoni, que luego se reduce significativamente mediante tensioactivos naturales.

La interacción de las partículas suspendidas en una gota con la superficie libre de la gota es importante para crear un anillo de café. "Cuando la gota se evapora, la superficie libre colapsa y atrapa las partículas suspendidas... eventualmente todas las partículas son capturadas por la superficie libre y permanecen allí durante el resto de su viaje hacia el borde de la gota". ; Este resultado significa que se pueden usar tensioactivos para manipular el movimiento de las partículas de soluto cambiando la tensión superficial de la gota, en lugar de tratar de controlar el flujo masivo dentro de la gota. Pueden resultar varias morfologías interesantes de las partículas depositadas. Por ejemplo, se ha demostrado que un derivado de poli(isocianato) enantiopuro forma matrices ordenadas de estructuras de rosquillas aplastadas.

Supresión

El patrón de anillos de café es perjudicial cuando se requiere la aplicación uniforme de un depósito seco, como en la electrónica impresa. Se puede suprimir añadiendo partículas alargadas, como fibras de celulosa, a las partículas esféricas que provocan el efecto del anillo de café. El tamaño y la fracción de peso de las partículas añadidas pueden ser menores que los de las primarias.

También se informa que controlar el flujo dentro de una gota es una forma poderosa de generar una película uniforme; por ejemplo, aprovechando los flujos de soluto de Marangoni que se producen durante la evaporación.

Se demostró que las mezclas de disolventes de bajo y alto punto de ebullición suprimen el efecto del anillo de café, cambiando la forma de un soluto depositado de una forma de anillo a una de punto.

Se demostró que el control de la temperatura del sustrato es una forma eficaz de suprimir el anillo de café formado por las gotas de solución PEDOT:PSS a base de agua. Sobre un sustrato hidrófilo o hidrófobo calentado, se forma un anillo más delgado con un depósito interno, lo que se atribuye a la convección de Marangoni.

El control de las propiedades de humectación del sustrato en superficies resbaladizas puede evitar que la línea de contacto de la gota se fije, lo que, por lo tanto, suprimirá el efecto del anillo de café al reducir la cantidad de partículas depositadas en la línea de contacto. Es menos probable que las gotas sobre superficies superhidrófobas o impregnadas de líquido tengan una línea de contacto fijada y suprimirán la formación de anillos. Las gotas con un anillo de aceite formado en la línea de contacto de la gota tienen una alta movilidad y pueden evitar la formación de anillos en superficies hidrófobas.

La electrohumectación con voltaje alterno puede eliminar las manchas de café sin la necesidad de agregar materiales tensioactivos. El movimiento inverso de las partículas también puede reducir el efecto del anillo de café debido a la fuerza capilar cerca de la línea de contacto. La inversión se produce cuando, debido a las limitaciones geométricas, la fuerza capilar prevalece sobre el flujo de anillos de café hacia afuera.

Determinantes del tamaño y patrón

El tamaño límite inferior de un anillo de café depende de la competencia a escala de tiempo entre la evaporación del líquido y el movimiento de las partículas suspendidas. Cuando el líquido se evapora mucho más rápido que el movimiento de las partículas cerca de una línea de contacto trifásica, el anillo de café no se puede formar con éxito. En cambio, estas partículas se dispersarán uniformemente sobre una superficie tras la evaporación completa del líquido. Para partículas suspendidas de tamaño 100 nm, el diámetro mínimo de la estructura del anillo de café es de 10 µm, o aproximadamente 10 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano. La forma de las partículas en el líquido es responsable del efecto del anillo de café. En sustratos porosos, la competencia entre la infiltración, el movimiento de partículas y la evaporación del solvente gobierna la morfología de la deposición final.

El pH de la solución de la gota influye en el patrón de depósito final. La transición entre estos patrones se explica considerando cómo las interacciones DLVO, como las fuerzas electrostáticas y de Van der Waals, modifican el proceso de deposición de partículas.

Aplicaciones

El efecto del anillo de café es utilizado en la deposición convectiva por investigadores que desean ordenar partículas en un sustrato mediante un ensamblaje impulsado por capilares, reemplazando una gota estacionaria con un menisco que avanza dibujado a través del sustrato. Este proceso se diferencia del recubrimiento por inmersión en que los impulsos de evaporación fluyen a lo largo del sustrato en lugar de hacerlo por gravedad.

La deposición convectiva puede controlar la orientación de las partículas, lo que da como resultado la formación de películas monocapa cristalinas a partir de partículas no esféricas, como partículas hemisféricas, dímeras y con forma de mancuerna. La orientación la proporciona el sistema tratando de alcanzar un estado de empaquetamiento máximo de las partículas en la fina capa de menisco sobre la que se produce la evaporación. Demostraron que ajustar la fracción de volumen de partículas en solución controlará la ubicación específica a lo largo del espesor variable del menisco en el que se produce el ensamblaje. Las partículas se alinearán con su eje largo dentro o fuera del plano dependiendo de si su dimensión más larga de la partícula era igual o no al espesor de la capa humectante en la ubicación del menisco. Estas transiciones de espesor también se produjeron en el caso de partículas esféricas. Más tarde se demostró que el ensamblaje convectivo podría controlar la orientación de las partículas al ensamblar múltiples capas, lo que da como resultado cristales coloidales 3D de largo alcance a partir de partículas con forma de mancuerna. Estos hallazgos resultaron atractivos para el autoensamblaje de películas de cristal coloidal para aplicaciones como la fotónica. Los avances recientes han aumentado la aplicación del ensamblaje de anillos de café desde partículas coloidales hasta patrones organizados de cristales inorgánicos.