Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор современного состояния исследований 18
1.1. Испарение жидкости из ограниченных объемов 18
1.2. Температурные зависимости морфологий структур после испарения коллоидных капель 25
1.3. Особенности испарения коллоидных капель биологически активных жидкостей
1.4. Коалесценция капель коллоидных жидкостей 28
1.5. Подавление эффекта кофейных колец
1.5.1. Подавление пиннинга контактной линии 32
1.5.2. Подавление возникновения конвективных потоков 36
1.5.3. Универсальные методы подавления эффекта кофейных колец 40
1.6. Термогидродинамика испарения коллоидных капель на подложке: теоретические представления и модели 42
1.6.1. Сферическая капля, пиннинг-мода, стационарная диффузия пара 46
1.6.2. Размерные и безразмерные величины в теплофизике испарения коллоидных капель 49
1.6.3. Контроль формы капли (капиллярное число) 51
1.6.4. Число Бонда 51
1.6.5. Контроль переноса импульса –эффекты инерции 51
1.6.6. Конвекция или теплопроводность в жидкой фазе 52
1.6.7. Контроль теплопереноса и движения капель за счет сил плавучести (термического расширения) 53
1.6.8. Эффект Марангони и термоиндуцированные течения 53
1.6.9. Время установления теплового равновесия 55
1.6.10. Процессы в газовой фазе 55
1.6.11. Тепловые процессы на подложке и их влияние на процессы испарения 56
1.7. Выводы к главе 1. 59
ГЛАВА 2. Описание экспериментальных методик и приборов 61
2.1. Исследуемые жидкости 61
2.2. Подложки 63
2.3. Описание экспериментальных методик и приборов для исследования высыхания свободно лежащих капель 64
2.3.1. Изучение изменения профиля капли, свободно лежащей на подложке 65
2.3.2. Определение изменения пропускающей способности высыхающей капли 67
2.3.3. Изучение морфологии осаждающихся структур 70
2.3.4. Подложки и осуществление их нагрева 72
2.3.5. Выстраивание массивов капель 75
2.4. Описание экспериментальных методик и оборудования для исследования воздействия лазерного излучения на капли коллоидов 77
2.4.1. Воздействие лазерного луча на каплю коллоидного раствора 78
2.4.2. Исследование воздействия лазерного излучения на контактную линию капли, лежащей на наклонной поверхности 81
2.5. Оценка неопределенностей 82
2.6. Выводы к главе 2 83
ГЛАВА 3. Процессы испарения и морфология осадочных структур в наноколлоидах 84
3.1. Постановка задач исследования 84
3.2. Оптическое исследование высыхания капель коллоидных растворов. Динамика изменения геометрии капли 85
3.3. Спектрофотометрическое исследование высыхания капель коллоидных растворов. Оценка процесса высыхания капель путем анализа динамики изменения ее светопропускания 90
3.4. Морфология осаждающихся структур. 94
3.5. Влияние нагрева подложки на термогидродинамику испарения и морфологию осадочных структур. 98
3.5.1. Скорость высыхания капель при разных температурах подложки 98
3.5.2. Исследование влияния температуры подложки на ширину образующихся кольцеобразных осаждений 100
3.5.3. Исследование влияния температуры подложки на высоту образующихся кольцеобразных осаждений 102
3.6. Формирование осадочных структур при высыхании массивов капель
наноколлоидов 106
3.7. Выводы к главе 3 109
ГЛАВА 4. Взаимодействие лазерного излучения с коллоидными каплями и термогидродинамическое управление морфологией 112
4.1. Постановка задачи взаимодействия лазерного излучения с коллоидными каплями 112
4.1.1. Используемые подложки и материалы исследования 113
4.1.2. Рабочие жидкости и коллоидные компоненты 114
4.1.3. Подготовка и проведение экспериментов 114
4.2. Результаты экспериментов 115
4.2.1. Экспериментальное исследование дистиллированной воды и вещества вода+глицерин 115
4.2.2. Экспериментальное исследование раствора NaCl 0,9%, наноалмаз в физиологическом растворе NaCl 0,9% и Al2O3 в щелочи 116
4.2.3. Экспериментальное исследование оксида железа в физ. растворе NaCl 0,9% 117
4.2.4. Движение капли оксида железа в физ. растворе NaCl 0,9% по наклонной плоскости против силы тяжести 120
4.2.5. Поведение капли наноколлоида железа на сажевом отложении 122
4.3. Фонтанирование капли оксида железа в физ. растворе NaCl 0,9% при воздействии перпендикулярного лазерного излучения 122
4.4. Другие эксперименты по исследованию воздействия лазерного излучения на капли различных жидкостей 124
4.4.1. Нагрев капель наноколлоидного раствора оксида железа с добавлением микросфер 124
4.4.2. Вода+микросферы и микроколлоидный раствор кофе 128
4.4.3. Капля наноколлоида оксида железа на алюминиевых подложках с углублениями различных размеров 130
4.5. Модели взаимодействия капель наноколлоидов с лазерным излучением 131
4.5.1. Предварительные оценки процессов 132
4.5.2. Модели процессов взаимодействия лазерного излучения с мультиколлоидными жидкостями 134
4.6. Выводы к главе 4. 138
ГЛАВА 5. Модели испарения наноколлоидных капель и формирования морфологии отложений на поверхности 141
5.1. Испарение капель, лежащих на подложках 141
5.2. Особенности испарения капель наноколлоидов 147
5.3. Формирование морфологии и разрушение структур в процессе высыхания капель наноколлоидов 155
5.4. Новая модель испарения наноколлоидных капель, лежащих на нагретых подложках 157
5.5. Выводы к главе 5 161
Основные выводы по результатам работы 163
Список использованных источников
- Особенности испарения коллоидных капель биологически активных жидкостей
- Описание экспериментальных методик и приборов для исследования высыхания свободно лежащих капель
- Оптическое исследование высыхания капель коллоидных растворов. Динамика изменения геометрии капли
- Модели процессов взаимодействия лазерного излучения с мультиколлоидными жидкостями
Введение к работе
Актуальность темы исследований связана с активным развитием интереса
к термогидродинамике и теплофизике испарения ограниченных объемов
коллоидных жидкостей (т.е. жидких объемов, содержащих нерастворимые
частицы различных размеров и формы). Казавшиеся поначалу исключительно
фундаментальными исследования испарения коллоидных капель в настоящее
время вылились в широкую гамму прикладных исследований и новых
технологий. Исследования в данной области могут оказаться полезными в
целом ряде приложений: принтерная печать, в том числе при нанесении
рисунков электронных компонент для гибкой электроники; 3D-принтинг для
изготовления LED (светодиоды) и OLED (органические светодиоды) структур
из квантовых точек; создание медицинских и биологических меток;
медицинский анализ, в т.ч. в криминалистике, капель крови по структуре
высыхания; разработка новых методов испарительной литографии; решение
проблем смачивания и растекания капель коллоидных жидкостей; получение
фотонных кристаллов для нанофотоники; исследование образования
нежелательных отложений рабочих жидкостей в энергетике, в т.ч. при создании систем охлаждения электронных устройств капельно-оросительным методом; технология нанесения функциональных покрытий и т.п.
Проведены исследования коалесценции капель, что важно для разработки перспективных технологий 2D и 3D печати на гибких подложках, создания новых методик анализа в биологии и медицине, исследований и повышения энергоэффективности теплообменных поверхностей с отложениями окислов и солей, решения задач испарительной литографии для электроники и т.д. Отдельно рассмотрены задачи управления коллоидными каплями с помощью их взаимодействия с лазерным излучением. Показано, что такое воздействие может оказывать заметное влияние, как на процессы испарения коллоидных капель, так и на механизмы устойчивости капель и формирования отложений нужной структуры.
Степень разработанности проблемы
Изучение процессов испарения капель жидкостей с коллоидными частицами микро- и наноразмеров ведутся более 15 лет. За это время было проведено значительное число экспериментальных исследований и проведено аналитическое и численное моделирование происходящих процессов (группы Дигана, Анифантакиса, Ларсона, Парка, Высоцкого, Ралдугина, Тарасевича и др.). Практически по каждому из вышеуказанных приложений проводились и проводятся самостоятельные работы. Можно сказать, что до недавнего времени исследования носили достаточно разрозненный характер, т.е. каждая отдельная научная группа работала в узкоспециализированной области.
Несмотря на заметное число публикаций в этой области исследований, в
последние годы сложились новые принципиальные представления,
существенно изменившие картину динамики испарения жидкости и
образования осадочных структур. Возникает необходимость объединения результатов в единую систему, составления так называемой карты режимов высыхания капель коллоидных растворов. Влияющими факторами могут быть внешние параметры (влажность, наличие конвекции в окружающем каплю газе и т.д.); состав коллоидного раствора и концентрация отдельных компонент; теплофизика испарения (температура подложки, скорость подвода тепла, наличие конвективных потоков в капле и вокруг нее); наличие поверхностно-активных веществ в капле или полимерных добавок и пр. Существенное внимание уделяется изучению влияния температурных режимов и скорости нагрева и испарения на формирование отложений.
Цели и задачи
Целью работы является исследование теплофизических и термогидродинамических процессов, происходящих при испарении наноколлоидных капель применительно к современным и перспективным задачам энергетики, биологии и медицины, принтерным технологиям с целью повышения их эффективности и расширения возможных областей приложения.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
разработка и модификация измерительных блоков для изучения термогидродинамики испарения капель наноколлоидных растворов, в том числе для исследования влияния температуры подложки на динамику высыхания и морфологию осаждающихся структур;
разработка и использование спектрометрических методов изучения динамики и геометрии высыхающих капель наноколлоидов;
изучение коалесценции наноколлоидных капель и формирования коалесцентных структур, влияния на них тепловых и термогидродинамических факторов;
исследование влияния внешних воздействий, в частности, лазерного излучения, на наноколлоидные и гибридные (наноколлоид + мифросферы) мезоструктуры, изучение новых физических явлений при таком воздействии.
разработка и создание простых моделей протекающих термогидродинамических процессов;
сравнение результатов, получаемых в рамках этих моделей, с полученными в работе экспериментальными данными.
Научная новизна
Научная новизна исследований, проведенных в рамках данной работы, состоит в следующем:
разработана методика спектрометрического исследования динамики испарения коллоидных капель, позволившая проанализировать изменение концентрации наночастиц в процессе высыхания;
впервые выделены три стадии процесса испарения наноколлоидных капель с точки зрения светопропускания;
проведен анализ изменения морфологии осаждений, остающихся после высыхания капель коллоидных растворов наночастиц Fe203 и Si02 в
зависимости от теплофизических условий; обнаружена и экспериментально обоснована сильная температурная зависимость размеров осаждений, остающихся после испарения жидкой фазы;
разработана методика исследования высыхания массивов капель наноколлоидных растворов; проведены измерения времен высыхания в режиме коалесценции, а также проанализированы характерные морфологические структуры, образующиеся в этом режиме;
впервые обнаружена и количественно оценена возможность управляемого перемещения капель коллоидных и мультиколлоидных капель, содержащих металлические микросферы, в том числе против действия силы тяжести;
обнаружен эффект сильного термогидродинамического воздействия лазерного излучения на коллоидные капли, вплоть до фонтанирования тонких струй и выброса микрокапель и микропузырьков из коллоидных капель;
предложена новая модель высыхания наноколлоидных капель; проведенное сравнение результатов показало хорошее согласование с полученными в работе экспериментальными данными;
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость работы:
изучение закономерностей термогидродинамики испарения капель жидкостей, содержащих коллоидные наночастицы;
исследование возможностей управления формированием структур различной морфологии под влиянием варьируемых теплофизических факторов;
применение нестандартных методик наблюдений (оптических и спектрометрических) для анализа процессов высыхания ограниченных объемов жидкостей;
разработка и апробация моделей испарения наноколлоидных капель и формирования осадочных структур различной морфологии.
Практическая значимость работы состоит в возможном применении разработанных методик и полученных результатов:
для улучшения технологии струйной печати, в частности, на гибких непроницаемых подложках;
в медицине и биологии, а также в криминалистике, для анализа биоактивных жидкостей, например крови, для выявления патологий путем количественного и качественного анализа концентрации компонент, включая протеины и ДНК;
при разработке и модификации функциональных элементов электроники и оптоэлектроники, в частности, для испарительной литографии, управляемых жидких линз и пр.;
в энергетике для изучения отложений на теплообменных трубах, на поверхностях теплообмена (испарителях и конденсаторах);
в спектроскопии летучих нанокомпонентов для измерения характеристик состава капель и пленок в различные моменты времени и т.п.
Методология и методы исследования
Основным методологическим подходом, реализованным в
диссертационной работе, является экспериментальное обоснование всех теоретических выводов и расчетных результатов. При проведении экспериментальных исследований использовались как известные, так и специально разработанные методики: оптическое измерение геометрических параметров процессов смачивания и растекания жидкостей на твердых подложках; применение спектрометрических приборов для определения изменения концентрации взвешенных частиц внутри ограниченного объема жидкости; оптическая микроскопия для изучения как динамки испарения и сушки капель наноколлоидов, так и для изучения морфологии отложений; скоростная видеосъемка; нагрев образцов с помощью полупроводниковых пленок путем подвода разности потенциалов к ним. Кроме того, были применены методики лазерного воздействия на коллоидные растворы, а также управляемого координатного дозирования капель.
Положения, выносимые на защиту
-
Результаты экспериментальных исследований динамики высыхания капель коллоидных растворов по изменению геометрических параметров (высота капли, краевой угол смачивания, размеры осаждаемых структур) показали линейный характер изменения с течением времени, что довольно точно соответствует результатам моделирования.
-
С точки зрения изменения концентрации взвешенных в капле коллоидных наночастиц по мере испарения жидкой фазы процесс высыхания капель исследуемых коллоидов можно разбить на три стадии. Это разбиение справедливо для диапазона температур подложки ниже температуры кипения. Основное формирование осаждений происходит в течение самой короткой последней стадии.
-
С увеличением температуры подложки доля взвешенных коллоидных частиц, осаждающихся вдоль контактной линии капли, растет. Соответственно, объем осаждений внутри кольца уменьшается.
-
Сформулированы возможные варианты образования осадочных структур при высыхании капель коллоидного раствора Fe2O3 в режиме коалесценции. Капли вторичного массива высыхают в среднем в 1,32 раза быстрее капель первичного массива.
-
Разработана методика и создан экспериментальный комплекс для исследования воздействия лазерного излучения на контактную линию капель. Обнаружена и объяснена возможность бесконтактного управляемого перемещения капель коллоидных растворов.
-
Разработана модель испарения капель наноколлоидных растворов, лежащих на нагретых подложках, описывающие протекающие во время высыхания термогидродинамические процессы, проведено сравнение результатов, получаемых в рамках этих моделей, с полученными в работе экспериментальными данными.
Личный вклад автора
Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии на экспериментальных стендах кафедры низких температур НИУ «МЭИ». Автором проведены:
разработка и выбор всех описанных диагностических методик;
модификация и конструирование исследовательских установок, примененных в рамках данной работы;
эксперименты по изучению термогидродинамики капель согласно описанным методикам;
обработка и исследование свойств высыхающих наноколлоидных капель;
изучение морфологии структур отложений оптической микроскопии;
анализ результатов исследований и их интерпретация.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность результатов исследований обусловлена использованием современных методов измерений, оценками ошибок полученных результатов, сравнением результатов с имеющимися данными и корреляциями других исследователей. Результаты диссертационной работы представлены в рамках работы 17 конференций, в т.ч. четырех зарубежных.
Публикации
Материалы по теме диссертационной работы изложены в
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложения и содержит 176 страниц машинописного текста, 119 рисунков, 7 таблиц и 69 формул. Список литературы включает 132 наименования
Благодарности
Автор выражает огромную благодарность своему научному руководителю д.т.н. проф. Дмитриеву Александру Сергеевичу за помощь при написании диссертации и за формирование автора, как ученого; Иванову Валерию Антоновичу, Огородникову Владимиру Павловичу и Рыжкову Вадиму Александровичу за мудрые советы; Эльбуз Мустафе Али и Алтухову Павлу Игоревичу за те эксперименты, что были проведены совместно; своим родителям за всестороннюю поддержку.
Особенности испарения коллоидных капель биологически активных жидкостей
Процессы испарения ограниченных объемов жидкости являются типичными проблемами теплофизики и гидродинамики. Исследования поведения отдельных капель оказываются полезны при изучении испарения капель воды в атмосфере, при решении проблем испарения и кипения ограниченных объемов жидкости в различных технологических устройствах, включая системы охлаждения, для получения чистой воды, для развития технологий нанесения покрытий, струйной печати и т.п.
Вопросу испарения свободно висящих капель жидкости посвящено достаточное число обзоров и публикаций (см., например, [1]), поэтому в данном обзоре эти задачи не будут широко рассмотрены. Основное внимание ниже будет уделено испарения капель жидкости, в основном, коллоидных, лежащих на подложке.
Как уже указывалось во введении, проблема испарения и сушки коллоидных, в частности, наноколлоидных капель различных жидкостей, представляет собой важную научную и практическую проблему современной термогидродинамики и теплофизики, поскольку коллоидные жидкости с частицами микро-, мезо- или наноразмеров используются во многих приложениях, среди которых: принтерная печать, в том числе, нанесение рисунков электронных компонент для гибкой электроники, 3D-принтинг для изготовления из квантовых точек LED (светодиоды) и OLED (органические светодиоды) структур, технология получения фотонных кристаллов для нанофотоники, испарительная литография для получения полупроводниковых структур на поверхности подложек, создание медицинских меток для анализа ДНК и крови, медицинский анализ капель крови по структуре высыхания, криминалистика на основе высохших следов, в том числе, капель крови, исследования отложений коллоидных жидкостей в энергетике и электроники, технология покрытий и т.д. [2-12]. Более того, гетерогенная предсказуемая самосборка микро- и наночастиц нашла широкое применение во множестве сфер науки и техники, как, например, в печати [13], биохимическом анализе [14-17], исследовании испарительной самосборки [18-20,22], растрескивания осаждений [21-22] и совместного движения и адгезии бактериальных колоний [23-24]. Важность изучения термогидродинамики и теплофизики испарения коллоидных капель особенно хорошо и наглядно можно увидеть, например, при высыхании на подложке капель крови (сыворотка крови) (рисунок 1.1). Как видно из фотографий, после испарения жидкой фазы могут образовываться структуры различной морфологии, зависящей от количественного соотношения компонент крови. Соответственно, при наличии базы данных по осаждениям, характерным для тех или иных заболеваний, можно постараться предугадать начало болезней и начать предварительное лечение.
Многообразие теплофизических явлений при испарении коллоидных капель и формировании морфологии осадочных структур
Поскольку важную роль при испарении капель на подложке играет контактная линия газ-жидкость-твердое тело, то она играет существенную роль во всех теплофизических процессах, сопровождающих испарение и высыхание коллоидных капель жидкостей. При испарении коллоидных капель в общем случае имеют место процессы движения контактной линии, изменения контактного угла, динамическое движение коллоидных частиц внутри капли, эффекты Марангони, связанные с градиентами температуры, и, в случае мультикомпонентных капель, с градиентами концентрации компонент. При этом, как показано на рисунке 1.2, при наличии коллоидных частиц могут наблюдаться процессы их осаждения, причем в различных режимах, образуя совершенно различные морфологические структуры (см. ниже). Если испарение капель в свободном состоянии в газе (или вакууме) практически всегда связано с симметричным потоком массы пара от капли, то при испарении на подложке массовый поток всегда несимметричен, что вносит в проблему понимания термогидродинамики испарения новые и весьма заметные усложнения. В частности, испарение капель, лежащих на гидрофильной (слева) и гидрофобной (справа) нагретых подложках показано (рисунок 1.3). Неоднородная область вокруг капель демонстрирует величину массового потока в режиме реального испарения. Штриховая линия показывает ситуацию, если бы испарение происходило однородно по всей поверхности капли.
Описание экспериментальных методик и приборов для исследования высыхания свободно лежащих капель
Обычно, если числа Рейнольдса внутри капли малы, т.е. Re = pl\R/rjl 5-ю 3 (когда нет сильных течений за счет эффекта Марангони), то можно использовать, как указано выше, приближение Стокса, а при доминировании теплопроводности над конвекцией использовать только линейное уравнение теплопроводности. Однако, в ряде случаях, когда термоиндуцированное течение Марангони может оказывать существенное влияние, число Марангони стать больше единицы, что приводит к нелинейному уравнению Стокса и возможностям возникновения неустойчивых течений [4]. Обратимся теперь к вопросу, когда внутри капли преобладает конвекция, а когда теплопроводность. Известно, что для этого важно отношение чисел Прандтля v = vl/alи Рейнольдса Re = whjvl. Именно, произведение этих чисел PrRe = vh01 а: указывает на преобладание того или иного механизма переноса тепла. Оценивая, получаем, что PrRe = vh01 а, «1 ( о, 05) (эта оценка без возможного влияния течений Марангони). может достигать величин Ma = (-da/dT)(ATtfh0/jllR2) 200, то число Рейнольдса может Таким образом, без термоиндуцированных течений Марангони основной механизм переноса тепла в капле - теплопроводность. Анализ показывает, что только при PrRe 10 конвекция внутри капли оказывается важным (сравним с теплопроводностью) механизмом переноса тепла.
Температурные вариации в капле связаны с вариациями плотности, согласно соотношению Ар1 / р1«ртАТ. Для типичных низкомолекулярных жидкостей можно оценить коэффициент термического расширения как / «2-104 0С 1. Возникающие при этом напряжения оцениваются соотношением є gfiTp,ATh0, которые создают скорость плавучести в капле, которая примерно равна vь gPTp,isJh02 / г/,. Число плавучести (отношение сил плавучести к скорости течения жидкости ve R/tf, вызванного испарением) при этом равно Ви = gPTplATh20tf /rj,R = gBTATh02tf /v,R . Вводя число Грасгофа для жидкости Grt = j3TgATR3 /v2, получаем Ви = Оф02 /R4)tfv, 0,4gpTp2ATh04 (L/ щК) 100-200 для капель радиусом R 1 мм. Эти оценки показывают, что эффекты плавучести (термического расширения) могут вносит заметный вклад в течения внутри капли.
Температурные вариации в капле связаны также с процессами испарения на поверхности и с изменением с температурой поверхностного натяжения da/dT, которое лежит в пределах da/dT -0,2 Дн/см -0С (например, для воды da/dT -0,166 Дн/см-0 С). Произведение (da/dT)AT - разница величины поверхностного натяжения на свободной поверхности капли, AT- максимальная разность температур между поверхностью и центром капли. Например, разность между верхней точкой капли Tt и температурой вблизи контактной линии Тс, тогда имеем AT \Ttc\. Величина (da/dT) обычно для большинства жидкостей отрицательна. Градиент поверхностного натяжения имеет величину -(da / dT)AT /R, а напряжения на поверхности приводит к градиенту скорости, величина которой оценивается как -(da / dT)AT / Rijl. Скорость термоиндуцированного течения Марангони vм -(daI dT)AT\ /j]{R, так что отношение этой скорости к скорости течения за счет испарения vv R/tf, есть число Марангони Ma = -(d j/dT)(ATtfh0/r/lR2. Если взять характерное время полного испарения tf 0,2(р, /pv)(h0R/Dv) и использовать соотношение (1.7) Ь-Тк ЩІ кЦЩІЛ ф ІК), то получим для числа Марангони Ma = -0,4(da/dT)(Lhl/vlAlR2). Используя значении величин в таблице , нетрудно получить оценки Ма«0,5-Ю6(й3IR2) - для гексанола, Ма«5-Ю6(й3IR2) - этанола. Отсюда получаем, что для \ «0,4-0,5 мм, R«1мм, 3-Ю3 Ма 3-104. Нетрудно видеть, что число Марангони быстро падает, когда капля испаряется и величина h0 уменьшается, поскольку при постоянной контактной линии радиус капель фиксирован. Большая величина числа Марангони означает, что термоиндуцированные течения могут быть более важными, чем течения, индуцированные испарением вблизи контактной линии, скорость которых vv Rltf. Аналогично, с эффектами плавучести (число плавучести), за счет зависимости плотности от температуры. Однако, эффект Марангони всегда сильнее эффектов плавучести, что следует из прямых оценок, проведенных выше. Если тепловой конвекцией можно пренебречь (верно только при условиях, обсуждены ниже), то эффекты Марангони могут легко быть включены в анализ приближения «смазки». Действительно, меняя на свободной поверхности капли граничное условие т2Г = 0 на напряжение
Марангони (граничное условие Марангони) zzr da/dr, поверхностное натяжение становится зависимым от радиальной координаты, так как оно чувствительно к температуре, а температура изменяется по свободной поверхности из-за неравномерности испарительного охлаждения и неравномерного переноса тепла на свободную поверхность от жидкости и подложки. Граничное условие Марангони дает следующие дополнительные члены в поле скоростей (1.13), т.е. к выписанным выше компонентам скорости добавляются следующие, связанные с эффектом Марангони [18, 32, 34, 36, 41]
Оптическое исследование высыхания капель коллоидных растворов. Динамика изменения геометрии капли
Как было показано в главе 1, несмотря на широкий спектр работ по изучению высыхания капель различных жидкостей самой различной направленности – от принтерных технологий до медицинских приложений, – по-прежнему остается ряд не до конца изученных проблем, в частности, по влиянию нагрева на динамику испарения жидкости из капель и, что особенно важно, на морфологию осаждающихся структур. На самом деле термогидродинамические процессы, происходящие внутри капель даже небольшого объема, играют определяющую роль в том, какой характер примет структура, образованная осаждающимися компонентами. При изменении термогидродинамических условий могут проявляться многочисленные теплофизические особенности испарения и высыхания коллоидных капель – перенос массы при испарении, конвекция и эффект Марангони внутри капель, конвекция вне капель, вязкость и инерция при течениях жидкости в капле, по разному проявляется влияние сил поверхностного натяжения и капиллярных течений, специфическое поведение контактной линии (эффекты пиннинга и депиннинга) и другие процессы.
Как было показано ранее в обзоре, существует так называемый эффект «кофейных колец» или coffee ring effect, заключающийся в образовании кольцеобразных структур, состоящих из частиц коллоида, вдоль периметра изначальной капли. При соответствующем подборе условий, в частности, температуры подложки, можно добиться практически полного подавления этого эффекта.
Знание влияния температуры подложки и окружающей среды на динамику высыхания капель коллоидных растворов и структуру осаждений, а также знание влияния типов растворенных (или взвешенных) веществ и их концентраций, позволит составить так называемую карту режимов процесса высыхания капель коллоидных растворов. Это может быть полезным для ряда приложений. Так, при разработанной методике составления карт режимов будет возможным создание устройства для экспресс-анализа биологических жидкостей, в частности, крови, так как при разной концентрации таких компонент, как лейкоциты, эритроциты и пр., «рисунок» осаждений будет выглядеть совершенно по-разному. Для достижения поставленной цели составления карты режимов (или, что будет более верным, разработки методики составления подобных карт), были поставлены следующие задачи: измерение динамики высыхания капель путем наблюдения за их профилем и регистрации изменения геометрических параметров; измерение динамики высыхания капель спектрофотометрическим методом при разных температурах подложки; оценка морфологии осаждений, остающихся после высыхания капель, с учетом варьирования температуры подложки; сравнение результатов экспериментов, проведенных по трем методикам: сопоставление геометрического состояния капель в отдельные моменты времени с показаниями спектрофотометрического анализа пропускания капель и внешним видом осаждений; составление карты режимов высыхания капель различных коллоидных растворов.
Изучение обоих наноколлоидных растворов началось с исследования времен высыхания капель при комнатной температуре (приблизительно 20С) путем наблюдения за изменением их профиля. В результате выполнения экспериментов согласно методике, описанной в разделе 2.3.1, на исследовательском стенде KRSS EasyDrop DSA25 (рисунок 2.5) были получены серии снимков, по которым далее производилось измерение длины контактной линии, высоты капли и др. На рисунке 3.1 показана раскадровка процесса высыхания капли коллоидного раствора Fe203. Рис.3.1. Высыхание капли коллоидного раствора наночастиц Fe Cb Как уже было сказано, программное обеспечение установки KRSS
EasyDrop DSA25 самостоятельно определяет величину контактного угла, высоту капли, длину контактной линии, площадь поверхности. Основываясь на этих параметрах, можно определить объем и массу. Исходя из фотографий на рисунке 3.1. можно сделать допущение, что во все моменты времени капля, лежащая на ровной поверхности, представляет собой шаровой сегмент (рисунок 3.2), для которого справедливо выражение для объема V = — (За2 +
/г2), где h - высота шарового сегмента, a - радиус основания (половина длины контактной линии).
Геометрические параметры шарового сегмента Полученные данные по геометрическим параметрам, измеренным и на основании изменяющегося профиля капли, сведены в таблицу 1: На основании данных таблицы 1 можно построить графики изменения геометрических параметров по мере протекания процесса высыхания. В частности, особый интерес представляет динамика изменения контактного угла и высоты капли. Сравнение графиков для обоих коллоидных растворов будет показано ниже. Как следует из графиков и данных таблицы, контактный угол и высота капли линейно уменьшаются с течением времени, в то время как диаметр основания остается приблизительно неизменным, что соответствует хорошо известному случаю высыхания с сохранением контактной линии – эффект пиннинга контактной линии, являющийся необходимым условием для возникновения кольцеобразных осаждений. Аналогичные измерения были проведены для капли раствора наночастиц SiO2. Раскадровка процесса высыхания представлена на рисунке 3.3.
Высыхание капли коллоидного раствора наночастиц SiO2 при комнатной температуре Исходя из фотографий на рисунке 3.3 можно сделать вывод о том, что при одинаковом объеме капля коллоидного раствора наночастиц оксида кремния растекается сильнее, нежели капля раствора на основе наночастиц оксида железа. Кроме того, процесс высыхания такой капли занял меньше времени. Как уже было сделано ранее, по измеренным данным для изменения контактного угла, высоты капли и длины ее контактной линии, используя приближение сегмента сферы, была составлена таблица 2 изменения геометрических параметров капли коллоида оксида кремния по мере ее высыхания.
Модели процессов взаимодействия лазерного излучения с мультиколлоидными жидкостями
Перед началом основных экспериментов был проведен выбор подложек, среди которых были подложки с различной морфологией. Основанием для их выбора послужила разная смачиваемость материалов подложек и поведение капель жидкости на их поверхности. В качестве базовых поверхностей, на которые наносились капли различных жидкостей, использовались следующие подложки (рисунок 4.2): предметное стекло для микроскопа; размер 25.4х76.2 мм и толщина 0.7 мм (рисунок 4.2 - 1); предметное стекло с нанесенным слоем сажи (рис.4.2 - 2). алюминиевая пластина размером 90х60мм, с углублениями различных размеров (рисунок 4.2 - 3). алюминиевая пластина; размер 70х30мм, с углублениями одинаковых размеров (рисунок 4.2 - 4).
В таблице 4.1 описаны жидкости и включения, используемые в опытах. Таблица 4.1. Жидкости и включения, используемые в опытах. Жидкости Нано- и микроколлоиды Лазерное излучение Вода свинцовые микросферы, микроколлоиды кофе, кофе+микросферы =450нм, 1 Вт Соль (раствор 0.9% NaCl) Наночастицы Fe2O3 (концентрацией 1г/л и 40г/л), наночастицы Fe2O3+свинцовые микросферы, наноалмаз =450нм, 1 Вт Щелочь A1203 =450нм, 1 Вт Вода+глицерин пропорции: 1/1, 1/3 и 3/1 =450нм, 1 Вт Во всех экспериментах объем капель составлял 4 мкл. Данное значение было выбрано экспериментально, чтобы сфокусированный лазером луч был намного меньше длины контактной линии капли с подложкой.
Все эксперименты начинались с подготовки подложек. Грубая очистка подложки производилась смоченным спиртом ватным тампоном, после чего она помещалась в ультразвуковую ванну, в которой 10 минут происходила чистка поверхности посредством ультразвуковых колебаний в дистиллированной воде. После ультразвуковой очистки подложка закреплялась на рабочем столике, вследствие чего появлялась необходимость настройки лазера, а именно: проверка перпендикулярности (в случае горизонтального расположения лазера – проверка горизонтальности) расположения лазера к предметному столику (рисунок 2.20), а также фокусировка и замер координат расположения луча лазера на подложке.
Изучение поведения контактных линий капель исследуемых жидкостей начиналось с параллельного (бокового), относительно подложки, точечного нагрева капли. На очищенную ранее стеклянную подложку наносилась капля дистиллированной воды с последующим воздействием направленного лазерного излучения (рисунок 2.17б). Этот шаг был необходим для наблюдения за поведением контактной линии.
Целью исследования было обнаружение разных краевых углов у капли вследствие горизонтального неоднородного нагрева, как показано на рисунках 4.3а и 4.3б. Суть метода состояла в том, чтобы, попробовав прием лазерного (оптического) пинцета, «наклонить» каплю в сторону сфокусированного луча лазера или от него. В случае с дистиллированной водой такого эффекта обнаружено не было. Вероятнее всего, это вызвано тем, что в ней не содержались примеси солей и микрочастиц. Соответственно, сила, с которой свет действовал на каплю, была недостаточна, чтобы оказывать воздействие на границу раздела фаз.
Для замедления движения капли необходимо было увеличение вязкости путем добавления глицерина. Это было сделано для того, чтобы увеличить воздействие пятна лазерного луча на жидкость. Разбавив глицерин с водой пропорциями 1:3, 3:1 и 1:1 соответственно, продолжилась серия экспериментов. Контактная линия жидкости «вода+глицерин» после воздействия лазерным лучом также не показала никаких результатов.
Чтобы подробнее рассмотреть эффект лазерного (оптического) пинцета, нами были исследованы коллоидные жидкости, в состав которых входили микрочастицы наноалмаза, металлов алюминия и железа, а также так называемый физиологический раствор NaCl 0,9% (далее – «физ. раствор»).
Первым из них рассматривался физ. раствор NaCl 0,9%, так как в его составе были кристаллы соли, что потенциально повышало вероятность заметить эффект движения контактной линии. Проделав опыты с каплями данного раствора, было замечено, что у него, как и у капли воды, не было движения контактной линии.
Далее, после добавления в физ. раствор наночастиц алмаза (рисунок 4.4), нами были проделаны аналогичные эксперименты. При горизонтальном нагреве наклон и движение капли не были замечены, но при перпендикулярном нагреве (рисунки 4.4в 4.4г) было разбрызгивание мелких частиц по всей поверхности подложки. Это было вызвано тем, что на наночастицах алмаза происходил локальный перегрев и вскипание жидкости, вследствие чего пузырьки высвободившегося кислорода начинали увеличиваться в объеме, а затем схлопывались. Кроме того, было замечено, что структура высохшей капли без воздействия лазерного излучения и с ним – разная. На рисунках 4.4а и 4.4б показаны микрофотографии высохшей капли при комнатной температуре, точнее следа, который остался от нее: можно увидеть кристаллы в форме дендритов. Общий цвет «осадка» темно-серый, примерно такой же, как и у нанесенного раствора. Из рисунков 4.4а и.4.4б следует, что можно четко определить границы капли (темный буртик), и что пространство внутри этой границы полностью заполнено кристаллами. После изменения базовой жидкости на раствор щелочи с наноколлоидными частицами Al2O3 и воздействия на него лазерным лучом в течение 3-4 минут, было замечено, как поверхность капли стала интенсивно высыхать и трескаться (рисунок 4.5б). Вероятнее всего, это происходит из-за большой концентрации частиц оксида алюминия в растворе щелочи. Тем самым лазер, воздействуя на наночастицы, разогревает их, выпаривая всю жидкость.