Каждый из нас знаком с явлением, когда на поверхности после высыхания капли кофе, чая или другого раствора остается характерное кольцевое пятно. Это явление долгое время привлекало внимание ученых и специалистов по разным областям, так как имеет важное значение для понимания процессов высыхания капель с суспензиями твердых частиц. В 1997 году группа исследователей из Чикаго под руководством Роберта Д. Дигена опубликовала значимую работу, объясняющую причину образования таких колец на поверхности с помощью механизма капиллярного потока. Их исследование раскрывает, почему твердые частицы, изначально равномерно распределённые по объему капли, в итоге оказываются сконцентрированными по краям, образуя заметные кольцевые отложения.
Основная идея, заложенная в этот научный труд, заключается в том, что при испарении жидкости капля ведет себя не просто как равномерно высыхающий объект. Край капли зачастую закреплен на поверхности — контактная линия фиксирована (так называемый эффект пиннинга). Испарение происходит наиболее интенсивно именно у краевого контура из-за большой площади испарения и близости воздуха. Чтобы компенсировать потерю жидкости у края, внутренняя часть капли начинает естественным образом подводить жидкость по направлению к периметру через капиллярный поток. Этот поток переносит растворённые или взвешенные твердые частицы, например, молотый кофе или пигменты краски, с внутренней части капли к краю.
В результате на месте фиксации контактной линии частицы накапливаются, постепенно формируя плотное кольцо после полного испарения жидкости. Удивительно, что данный механизм универсален и не зависит сильно от типа поверхности, природы раствора или размера частиц. Авторский коллектив провел детальные микроскопические наблюдения, подтверждающие теорию капиллярного потока и выявившие закономерности изменения массы кольцевого отложения со временем, подчиняющейся степенному закону. Это значит, что скорость накопления частиц у края увеличивается в соответствии с определённой математической функцией, характеризующей динамику процессов в капле.Понимание этого механизма имеет большое значение для множества технологических процессов.
Например, при печати на бумаге или текстиле, формировании покрытий, нанесении красок и других материалов, где распыляется жидкость с твердыми частицами, важно избежать нежелательных кольцевых пятен или наоборот, использовать их для создания специфических рисунков и узоров с высокой детализацией. Капиллярный поток влияет на равномерность распределения материала, качество покрытия, поведение пигментов и сцепление с поверхностью. В некоторых случаях образующиеся кольца приводят к дефектам, ухудшающим эксплуатационные свойства изделий.Современные исследования в области физики капель и поверхностных явлений зачастую опираются на работы 1997 года, расширяя понимание процессов испарения, течения внутри капель и взаимодействия с твёрдыми частицами. Новые технологии, такие как нанотехнологии, микрофлюидики и производство биосенсоров, используют принципы капиллярного потока для управления распределением веществ в малых объёмах.
Изучение динамики капель, формирующих кольца, помогает разработчикам концентрировать активные вещества в нужных местах и улучшать функциональные свойства материалов.Интересно отметить, что форма и интенсивность колец могут меняться в зависимости от нескольких факторов. На это влияют температура, влажность окружающей среды, химический состав жидкости, свойства поверхности (гидрофильность или гидрофобность), концентрация твердых частиц и их размер. Например, высокая влажность замедляет процесс испарения, а гидрофильная поверхность способствует более плотному контакту капли с основой и более выраженному пиннингу. Также причиной усиления кольцевого эффекта может быть наличие неровностей на поверхности, которые дополнительно фиксируют край капли.
Изучение капиллярного потока и кольцевых пятен становится неотъемлемой частью учебных программ по физике жидкости и прикладной химии. Оно помогает прогнозировать поведение сложных систем, что актуально в медицине при высыхании капель биологических жидкостей для диагностики, а также в экологии для мониторинга загрязнений. Современный научный интерес дополнительно стимулируют исследования по созданию новых высокоэффективных покрытий и материалов с заданными свойствами, основанных на управлении распределением частиц при испарении капель. В целом, феномен капиллярного потока и образования кольцевых пятен — это яркий пример того, как даже повседневные простые явления имеют глубокую физическую природу и могут быть изучены с помощью современных научных методов. Эти знания напрямую влияют на развитие технологий и производство, открывая возможности для оптимизации и инноваций в самых разных сферах жизни.
Благодаря работам таких ученых, как Роберт Д. Диген и его коллеги, мы лучше понимаем процессы испарения и осаждения частиц в жидкостях, что помогает создавать более качественные продукты и управлять микромиром частиц и жидкостей с высокой точностью.
