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Efecto de anillo de café

Efecto de anillo de café

En física, un " anillo de café " es un patrón dejado por un charco de líquido cargado de partículas después de que se evapora. El fenómeno lleva el nombre del depósito característico 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 de anillo de café o, en algunos casos, efecto de mancha de café , o simplemente mancha de anillo .

Mecanismo de flujo

El patrón del anillo de café se origina en el flujo capilar inducido por las velocidades de evaporación diferenciales a través de la gota: el líquido que se evapora desde el borde se repone por el líquido del interior. El flujo hacia el borde resultante puede llevar casi todo el material disperso al borde. En función del tiempo, este proceso exhibe un efecto de "hora pico", es decir, una aceleración rápida del flujo hacia el borde en la etapa final del proceso de secado.

La evaporación induce un flujo de Marangoni dentro de una gota. El flujo, si es fuerte, redistribuye las partículas de regreso al centro de la gota. Por lo tanto, para que las partículas se acumulen en los bordes, el líquido debe tener un flujo débil de Marangoni, o debe ocurrir algo para interrumpir 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 por los 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 los tensioactivos se pueden usar para manipular el movimiento de las partículas de soluto cambiando la tensión superficial de la gota, en lugar de tratar de controlar el flujo a granel dentro de la gota.

Supresión

El patrón del anillo de café es perjudicial cuando se requiere la aplicación uniforme de un depósito seco, como en la electrónica impresa. Se puede suprimir agregando partículas alargadas, como fibras de celulosa, a las partículas esféricas que causan el efecto de anillo de café. El tamaño y la fracción en peso de las partículas agregadas pueden ser más pequeñas que las 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 Marangoni solutal que ocurren durante la evaporación.

Se demostró que las mezclas de solventes de bajo punto de ebullición 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 forma de punto.

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

El control de las propiedades de humectación del sustrato en las superficies resbaladizas puede evitar la fijación de la línea de contacto de caída, lo que suprimirá el efecto del anillo de café al reducir el número de partículas depositadas en la línea de contacto. Las gotas sobre superficies impregnadas de líquido o superhidrofóbicas tienen menos probabilidades de tener una línea de contacto fija y suprimirán la formación de anillos.

La electroalimentación de voltaje alterno puede suprimir las manchas de café sin la necesidad de agregar materiales tensioactivos. El movimiento inverso de partículas también puede reducir el efecto del anillo de café debido a la fuerza capilar cerca de la línea de contacto. La inversión tiene lugar cuando la fuerza capilar prevalece sobre el flujo del anillo de café hacia afuera por las restricciones geométricas.

Determinantes de tamaño y patrón.

El tamaño del límite inferior de un anillo de café depende de la competencia en la escala de tiempo entre la evaporación del líquido y el movimiento de las partículas en suspensión. Cuando el líquido se evapora mucho más rápido que el movimiento de 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 en una superficie tras la evaporación completa del líquido. Para partículas suspendidas de tamaño 100 nm, se encuentra que el diámetro mínimo de la estructura del anillo de café es de 10 μm, o aproximadamente 10 veces más pequeño que el ancho del cabello humano. La forma de las partículas en el líquido es responsable del efecto del anillo de café. En sustratos porosos, la competencia entre infiltración, movimiento de partículas y 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 usando un ensamblaje capilar, reemplazando una gota estacionaria con un menisco avanzado dibujado a través del sustrato. Este proceso difiere del recubrimiento por inmersión en que la evaporación impulsa el flujo a lo largo del sustrato en lugar de la 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 mancuernas. El sistema proporciona orientación al tratar de alcanzar un estado de empaquetamiento máximo de las partículas en la delgada capa de menisco sobre la que se produce la evaporación. Mostraron que ajustar la fracción de volumen de partículas en solución controlará la ubicación específica a lo largo del grosor 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 grosor de la capa de humectación en la ubicación del menisco. Tales transiciones de grosor se establecieron también con partículas esféricas. Más tarde se demostró que el ensamblaje convectivo podía controlar la orientación de las partículas en el ensamblaje de múltiples capas, lo que resultaba en cristales coloidales 3D de largo alcance a partir de partículas con forma de mancuernas. Estos hallazgos fueron atractivos para el autoensamblado de películas de cristal coloidal para aplicaciones como la fotónica. Los avances recientes han aumentado la aplicación del ensamblaje de anillos de café de partículas coloidales a patrones organizados de cristales inorgánicos.