Почему на поверхности сохнущих капель образуются кольцевые пятна: роль капиллярного потока

Обычное явление, которое можно наблюдать повседневно — это появление характерных кольцевых пятен после высыхания капель таких распространённых жидкостей, как кофе, чай или красящие растворы, пролившихся на твёрдую поверхность. Эти узоры, часто напоминающие тёмные концентрические кольца, давно привлекают внимание исследователей ввиду своей удивительной природы и значимости для многих областей науки и техники. Суть феномена была подробно проанализирована в классическом исследовании 1997 года, где учёные впервые приписали образование этих пятен капиллярному потоку жидкости в условиях испарения. Это открытие является не только ключом к пониманию фундаментальных процессов испарения и диффузии, но и определяет множество практических подходов в промышленности, будучи актуальным для таких областей, как печать, производство покрытий, очистка поверхностей и микро- и наноинженерия. Когда капля жидкости с диспергированными в ней твёрдыми частицами, например, кофе с растворимыми частицами, попадает на твёрдую поверхность, её край часто остаётся неизменным, иначе говоря, линия контакта «запирается» — этот эффект называется закреплением контактной линии.

В это же время жидкость испаряется быстрее на краях, поскольку здесь площадь контакта с воздухом максимальна. Для восполнения испаряющейся жидкости на периферии капли внутренняя часть начинает постепенно протекать наружу, обеспечивая постоянное поступление раствора к краю. Этот направленный наружу капиллярный поток переносит растворённые частицы и дисперсные материалы именно к краям. По мере испарения жидкость на периферии высыхает первой, а вместе с ней оседают приносимые частички, формируя плотный «ободок». Внутренние части капли при этом высыхают уже с меньшей концентрацией твёрдых частиц.

Такая система течения жидкости и транспорта частиц была экспериментально подтверждена методами микроскопии и наблюдением за коллоидными частицами в процессе высыхания. Этот процесс обусловлен универсальной физической закономерностью, которая зависит от формы капли, скорости испарения и фиксированного положения контактной линии — при этом тип жидкости, поверхности и размеры частиц играют второстепенную роль. Изучение динамики формирования колец также выявило уникальную закономерность: масса образующегося осадка у краев растёт в зависимости от времени по степенному закону, что является важным фактором для прогнозирования поведения различных жидкостей при высыхании. Понимание механизмов образования кольцевых пятен на поверхностях высыхающих капель позволило разработать различные методы борьбы с нежелательными эффектами, особенно в областях, где необходимы равномерные и гладкие покрытия. Применение полученных знаний нашло отражение в современных технологиях печати, улучшении качества красок и покрытий, а также в микроэлектронике, где контроль осаждения частиц на микроуровне крайне важен.

Кроме того, концепция капиллярного потока и закрепления контактной линии оказалась полезной в биомедицинских приложениях, включая диагностику и изготовление биочипов, где прецизионное нанесение веществ на поверхности имеет большое значение. Со временем исследование этого феномена расширилось, охватывая влияние поверхностного натяжения, шероховатости и химической природы материала подложки. Были разработаны и тестированы методы управления поведением высыхающих капель, включая использование изменяемых поверхностей с эффектом супер-гидрофобности, которые способны модифицировать процесс испарения и образование осадков. Текущие исследования продолжают углублять понимание более сложных систем, например, эмульсий, многокомпонентных растворов и жидкостей с неравномерным распределением молекул, что открывает новые возможности для создания функциональных покрытий с заданными свойствами. В целом изучение капиллярного потока как причины формирования кольцевых пятен — один из прекраснейших примеров того, как простое повседневное явление может скрывать под собой сложные физико-химические процессы с широким спектром применений.

Анализ высыхания капель и связанных с этим потоков в междисциплинарном контексте объединяет физику, химию, материаловедение и инженерное дело. Эти знания лежат в основе инноваций, направленных на повышение эффективности и качества продуктов, улучшение технологий нанесения покрытий, а также создание новых видов интеллектуальных материалов, которые могут изменять свои свойства под воздействием внешних факторов. Разобраться в тонкостях капиллярного потока — значит открыть дверь в мир новых технологических решений, которые неизбежно повлияют на индустрию и повседневную жизнь.