커피링 효과

물리학에서 "커피 링"은 입자가 많은 액체가 증발한 후 남은 패턴이다. 이 현상은 커피가 엎지른 주변을 따라 고리 모양의 독특한 침전물로 명명되었다. 적포도주를 엎지른 뒤에 흔히 볼 수 있다. 이러한 유사한 고리를 형성하는 메커니즘은 커피 링 효과 또는 어떤 경우에는 커피 얼룩 효과 또는 단순한 링 얼룩으로 알려져 있다.

흐름 메커니즘

커피링 패턴은 낙하 증발에 의해 유도된 모세관 흐름에서 유래한다: 가장자리로부터 증발하는 액체는 내부로부터의 액체에 의해 보충된다.^[1] 그 결과로 생기는 가장자리 방향의 흐름은 거의 모든 분산된 물질을 가장자리까지 운반할 수 있다. 시간의 함수로서, 이 공정은 "러시-시간" 효과, 즉 건조 공정의 최종 단계에서 가장자리 방향으로의 흐름의 빠른 가속을 나타낸다.^[2]

증발은 물방울 안에 마랑고니가 흐르게 한다. 그 흐름은, 강력하다면, 입자들을 다시 방울의 중앙으로 분배한다. 따라서 가장자리에 입자가 쌓이려면 액체가 마랑고니 흐름이 약해야 하며, 그렇지 않으면 흐름을 방해하는 일이 일어나야 한다.^[3] 예를 들어 계면활성제를 첨가하여 액체의 표면 장력 구배를 감소시켜 유도 흐름을 방해할 수 있다. 물은 처음에는 마랑고니의 흐름이 약하며, 그 다음 천연 계면활성제에 의해 크게 감소한다.^[4]

방울에 매달린 입자와 방울의 자유 표면의 상호 작용은 커피 링을 만드는데 중요하다.^[5] "낙하가 증발하면 자유 표면이 붕괴되고 부유된 입자들이 갇히게 된다... 결국 모든 입자들은 자유 표면에 의해 잡히고 나머지 시간 동안 낙하 가장자리를 향해 이동한다."^[6] 이 결과는 계면활성제를 사용하여 낙하 내부의 벌크 흐름을 제어하려 하지 않고 낙하 표면 장력을 변화시켜 용액 입자의 움직임을 조작할 수 있다는 것을 의미한다.

억제

커피링 패턴은 인쇄된 전자제품과 같이 건조된 침전물을 균일하게 적용해야 할 때 해롭다. 커피링 효과를 일으키는 구형 입자에 셀룰로오스 섬유 등 긴 입자를 더하면 억제할 수 있다. 첨가된 입자의 크기와 무게 분율은 1차 입자의 크기 및 무게 분율보다 작을 수 있다.^[2]

또한 물방울 내부의 흐름을 조절하는 것이 예를 들어 증발 중에 발생하는 용액 마랑고니 흐름을 활용함으로써 균일한 필름을 생성하는 강력한 방법이라고 보고되고 있다.^[7]

낮은 비등점과 높은 비등점 용제의 혼합물이 커피 링 효과를 억제하는 것으로 나타나 퇴적된 용액의 모양이 고리형에서 점형 모양으로 바뀌었다.^[8]

기판 온도 제어는 물 기반 PEDOT의 방울로 형성된 커피 링을 억제하는 효과적인 방법인 것으로 나타났다.PSS 솔루션.^[9] 가열된 친수성 기질이나 소수성 기질에는 내측 침전물이 있는 더 얇은 고리가 형성되는데, 이는 마랑고니 대류에서 기인한다.^[10]

미끄러운 표면에서 기판 습윤 특성을 제어하면 낙하 접촉선의 핀팅을 방지할 수 있으며, 따라서 접촉 라인에 축적된 입자 수를 줄임으로써 커피 링 효과를 억제할 수 있다. 초저공포성 또는 액체가 스며든 표면에 떨어뜨리면 접촉선이 고정될 가능성이 낮아 링 형성을 억제할 수 있다.^[11] 낙하 접촉선에 형성된 오일 링이 있는 낙하물은 이동성이 높으며 소수성 표면에 링 형성을 피할 수 있다.^[12]

교대 전압 전기장치는 표면 활성 물질을 첨가할 필요 없이 커피 얼룩을 억제할 수 있다.^[13] 역입자 운동은 또한 접촉선 근처의 모세관 힘 때문에 커피 링 효과를 감소시킬 수 있다.^[14] 역전은 기하학적 제약조건에 의해 모세관이 외형적인 커피링 흐름보다 우세할 때 일어난다.

크기와 패턴의 결정요인자

커피 링의 낮은 제한 크기는 액체 증발과 부유 입자의 움직임 사이의 시간 척도 경쟁에 달려 있다.^[15] 액체가 3상 접촉선 근처의 입자 움직임보다 훨씬 빠르게 증발할 때, 커피 링은 성공적으로 형성될 수 없다. 대신에, 이 입자들은 완전한 액체 증발로 표면에서 균일하게 흩어질 것이다. 100nm 크기의 부유 입자의 경우 커피 링 구조의 최소 지름은 10μm로 사람의 머리카락 너비의 약 10배인 것으로 나타났다. 액체의 입자 모양이 커피 링 효과를 가져온다.^[16][17] 다공성 기판에서는 용매의 침투, 입자 운동 및 증발 간의 경쟁이 최종 증착 형태학을 지배한다.^[18]

낙하 용액의 pH는 최종 예금 패턴에 영향을 미친다.^[19] 이러한 패턴들 사이의 전환은 정전기 및 반 데르 발스와 같은 DLVO 상호작용이 입자 증착 과정을 어떻게 수정하는지 고려함으로써 설명된다.

적용들

커피링 효과는 모세관 구동 어셈블리를 이용해 기질에 입자를 주문하려는 연구자가 기판을 가로지르는 전진 메니스크로 고정된 방울을 대체해 대류 증착에 활용된다.^[20][21][22] 이 과정은 증발 구동력이 중력과 반대로 기질을 따라 흐른다는 점에서 딥코팅과는 다르다.

대류성 증착은 입자 방향을 조절할 수 있어 반구형,^[23] 조광기,^[24] 아령형^[25] 입자와 같은 비구형 입자로부터 결정성 모노레이어 필름이 형성된다. 방향은 증발이 발생하는 얇은 메니스크 층의 입자 최대 포장 상태에 도달하려고 하는 시스템에 의해 제공된다. 그들은 용액에서 입자의 부피 분율을 조정하면 조립이 발생하는 다양한 음낭 두께를 따라 특정 위치를 통제할 수 있다는 것을 보여주었다. 입자의 더 긴 치수가 메니커스 위치의 습식 층 두께와 같았는지에 따라 입자는 긴 축 내부 또는 평면 외부와 정렬된다.^[25] 이러한 두께 전환은 구형 입자로도 확립되었다.^[26] 이후 대류 어셈블리가 다층 조립 시 입자 방향을 조절할 수 있다는 사실이 밝혀져 아령 모양의 입자로부터 3D 콜로이드 결정이 장거리로 나왔다.^[27] 이러한 발견은 광학 같은 응용을 위한 콜로이드 크리스탈 필름의 자체 조립에 매력적이었다.^[27] 최근의 발전은 커피링 조립체의 응용을 콜로이드 입자에서 무기체 결정의 조직화된 패턴으로 증가시켰다.^[11]

참조

위키미디어 커먼즈에는 커피 얼룩과 관련된 미디어가 있다.