Кольцевые пятна, остающиеся после высыхания капель жидкости на твердой поверхности, знакомы каждому, кто когда-либо ставил чашку кофе или чай на стол. На первый взгляд кажется, что эти характерные кольца — всего лишь случайность или результат загрязнения, однако фундаментальная научная работа, проведённая в 1997 году исследователями Робертом Д. Диганом и его коллегами, открыла механизм, лежащий в основе такого феномена. В их статье под названием «Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops» было подробно рассмотрено, как капиллярное течение способствует формированию концентрированных колец из твердых частиц на краях высохших капель. Эта работа не только объясняет повседневное явление, но и имеет серьёзные последствия для промышленности, науки и искусства.
При испарении капли жидкости, содержащей диспергированные твердые частицы, происходит процесс, который на первый взгляд кажется простым — жидкость улетучивается, а частицы остаются на поверхности. Однако изучение показывает, что процесс разложения твердых веществ не равномерный и зависит от движения внутри капли и особенностей испарения. В случае чашки кофе это объясняет, почему крахмал и кофейные частицы концентрируются именно по краям, образуя прочное кольцевое пятно. Ключевой элемент механизма — «закрепление» контактной линии капли. Это значит, что край капли не смещается в процессе высыхания.
Такой фиксированный край играет важную роль: испаряющаяся жидкость в приповерхностной зоне на краю капли требует постоянного пополнения, что обеспечивает поток жидкости из центра капли к периферии. Это движение жидкости называют капиллярным течением или наружным потоком. Именно этот поток переносит взвешенные частицы к краю, концентрируя их там. Интересно, что динамика этого процесса универсальна — она не зависит от конкретного типа жидкости, поверхности или того, какие твердые вещества содержатся в капле. Ученые отметили, что масса кольцевого осадка растет по степенному закону, что подтверждается экспериментальными наблюдениями с использованием микросфер, запечатленных фото- и видеосъемкой.
Наблюдения за движением частиц показали, что частицы практически полностью транспортируются на границу капли за счет потоков внутри неё. Важным моментом является влияние формы и кривизны контура капли: на участках с повышенной кривизной кольцевое осаждение частиц более выражено. Это наблюдение позволяет предполагать, что геометрическая форма контактной линии влияет на локальное распределение частиц и интенсивность осаждения. Следовательно, при проектировании печати, нанесении покрытий или изготовлении материалов с помощью жидкостных методов, формы и топология поверхности могут использоваться для управления распределением частиц. Открытие капиллярного течения как причины колец от высыхающих капель имеет большое значение для различных сфер.
В промышленности понимание этого процесса помогает улучшать технологии нанесения краски и чернил, обеспечивать равномерное распределение веществ и предотвращать нежелательное образование пятен. В научных исследованиях это явление используется для контроля самособирания микро- и наночастиц, что важно для создания новых материалов. В быту явление кольцевых пятен может раздражать и портить поверхность, однако, если его учитывать, можно предвидеть и уменьшить подобные эффекты, например, уменьшая закрепление контактной линии или изменяя условия испарения. При этом методика и рекомендации по применению этой информации продолжают развиваться. Технология нанесения узоров с помощью контролируемого испарения жидкости с растворёнными или взвешенными веществами также получает развитие.
Используя капиллярное течение, можно создавать тонкие, аккуратные линии и узоры на различных поверхностях, что интересно для декоративного искусства или высокоточных промышленных методов. Нельзя также забывать о том, что исследование 1997 года стало базисом для последующих работ, в которых изучались эффекты поверхности, влияния температуры, разнообразных жидкостей, а также взаимодействия с различными видами твердых частиц и субстратов. Учёные из разных стран и дисциплин продолжают развивать понимание процессов, связанных с высыханием капель и транспортом частиц, опираясь на фундаментальные знания, полученные в этой классической статье. Таким образом, капиллярное течение служит объяснением давно известного, но долго не поддающегося объяснению феномена кольцевых пятен от высохших капель. Этот процесс подчеркивает, как сложный и взаимосвязанный может быть даже, казалось бы, простой природный процесс испарения.
Понимание его даёт новые возможности для управления материалами и технологиями, делая научное открытие полезным не только для теории, но и для практических применений.
