Kaffee-Ring-Phänomen in neuer Theorie erklärt

Expandierende Raumzeit und Dunkle Energie | Josef M. Gaßner (Juli 2019).

Anonim

Die Bildung eines einfachen Kaffeeflecks ist seit Jahrzehnten Gegenstand komplexer Studien, obwohl sich herausstellt, dass noch einige Steine ​​übrig sind. Forscher an der Universität von Nevada, Reno, haben modelliert, wie ein kolloidales Tröpfchen verdampft und fanden einen zuvor übersehenen Mechanismus, der die Dynamik der Partikelablagerung in verdampfenden sessilen Tröpfchen genauer bestimmt, was Auswirkungen in vielen Bereichen der heutigen technologischen Welt hat.

"Die Dynamik der Partikelablagerung während der Verdampfung kolloidaler Tropfen zu verstehen und zu manipulieren, kann bei der DNA-Sequenzierung, beim Malen, beim Tintenstrahldruck und bei der Herstellung geordneter Mikro- / Nanostrukturen verwendet werden", sagte Hassan Masoud, Assistant Professor am Department of Mechanical Engineering. "Und jetzt verstehen wir es besser als je zuvor. Unsere Entdeckung baut auf einer großen Menge von Arbeit auf, wir haben jedoch einen zusätzlichen Schritt gemacht, indem wir die Wechselwirkung von suspendierten Teilchen mit der freien Oberfläche des Tropfens modelliert haben. Wir glauben, dass unsere Ergebnisse grundlegend sind Änderung der allgemeinen Wahrnehmung des Mechanismus, der für das sogenannte "Kaffee-Ring" -Phänomen verantwortlich ist. "

Wenn ein Tropfen auf einer Oberfläche trocknet, lagern sich die darin suspendierten Partikel in einem ringähnlichen Muster ab, wobei ein Fleck oder Rückstand zurückbleibt, der als Kaffee-Ring-Effekt bezeichnet wird. Bis jetzt wurde angenommen, dass sich der Fleck als Folge des Flüssigkeitsstroms im Inneren des Tropfens bildet. Masoud und sein Team fanden heraus, dass die freie Oberfläche des Tropfens, die oberste Schicht in Kontakt mit der Luft, eine entscheidende Rolle bei der Abscheidung der Partikel spielt.

"Wenn der Tropfen verdampft, kollabiert die freie Oberfläche und fängt die Schwebeteilchen ein", sagte Masoud. "Unsere Theorie zeigt, dass schließlich alle Teilchen von der freien Oberfläche erfasst werden und dort für den Rest ihrer Reise bis zum Rand des Tropfens bleiben."

Masoud und sein Team verwendeten ein weniger bekanntes Modellsystem, das sogenannte Toroidal Coordinate System, das es ihnen ermöglichte, die dreidimensionalen Gleichungen in eine eindimensionale Form zu reduzieren. Trotz einer anständigen Menge an Serverplatz und -geschwindigkeit entschied sich das Team dafür, ihre vielen Gleichungen auf Dutzenden von sehr großen Stücken von Zeitungsdruckpapier zu schreiben.

"Unser innovativer Ansatz - und die Verwendung einiger hässlich langer Gleichungen - unterscheidet unsere Arbeit von früheren Forschungen", sagte er. "Niemand hat dieses Koordinatensystem für dieses Problem verwendet, und so können wir die Bewegung der Partikel im Tropfen auf natürliche Weise verfolgen."

Die Entdeckung ermöglicht es Wissenschaftlern, die Bewegung von gelösten Teilchen zu manipulieren, indem sie die Oberflächenspannung der Flüssig-Gas-Grenzfläche verändert, anstatt den Volumenstrom innerhalb des Tropfens zu kontrollieren.

"Wir können Tenside verwenden, um die Oberflächenspannung zu optimieren", sagte Masoud. "In einem einfachen Beispiel, wenn Sie Sonnenkollektoren reinigen, die bei Verschmutzung bis zu 90 Prozent ihres Wirkungsgrades verlieren können, ist die bevorzugte Reinigungsmethode Wasser, das aber einen Fleck zurücklässt, der nur schwer zu entfernen ist Dynamik beim Verdampfen mit einem speziellen Reinigungsmittel kann die Platten sauberer und effizienter machen. "

Ihr Peer-Review-Dokument, "Alternative Mechanismus für Kaffee-Ring-Ablagerung auf der Grundlage der aktiven Rolle der freien Oberfläche", wurde am 12. Dezember veröffentlicht in der American Physical Society Veröffentlichung Physical Review E.

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