Форма, устойчивость и процессы в капле коллоидного раствора 5 курс НИЯУ МИФИ Карабут Т. А. Научный руководитель К. ф.- м. н. Лебедев - Степанов П. В.

Содержание : 1.Самоорганизация в испаряющемся мениске коллоидного раствора 2.Исследование влияния гравитационных сил на неподвижную каплю 3.Исследование зависимости формы микро- капли на вращающейся подложке от угловой скорости вращения

Самоорганизация в испаряющемся мениске коллоидного раствора Цель работы: Показать возможность возникновения автоколебаний в мениске коллоидного раствора на границе с вертикальной пластинкой. Построить и исследовать физическую модель процесса.

Эксперимент по высыханию капли воды 4 Рис. 1. Эволюция со временем радиуса капли воды на подложке (верхний график) и ее высоты (нижний график).

Образование кольцевых структур из наночастиц кремния в местах остановки контактной линии в процессе высыхания капли толуола

Силы, действующие в мениске коллоидного раствора Капиллярные силы (поверхностное натяжение) Капиллярные силы (поверхностное натяжение) Адсорбция и межфазные силы (взаимодействие растворителя и растворенного вещества с подложкой). Адсорбция и межфазные силы (взаимодействие растворителя и растворенного вещества с подложкой). Гидродинамические потоки. Гидродинамические потоки. Сила тяготения. Сила тяготения.

Механическая аналогия Механическая модель автоколебаний в испаряющемся мениске: грузик на пружине на горизонтальной поверхности позволяет наиболее просто рассмотреть возникновение автоколебаний как результата действия основных сил: 1.Инерционных (масса грузика), 2.Диссипативных (трение грузика о поверхность) 3.Упругих (деформация пружины) 4.Внешних сил (движение свободного конца пружины с постоянной скоростью) Процессы, происходящие в мениске при испарении: Смещение контактной линии относительно частиц. Смещение частиц относительно пластинки.

Численный расчет, произведенный по нашей модели ( в безразмерных величинах)

Выводы к первой части Для описания колебательного процесса в испаряющемся мениске была предложена простая механическая модель, учитывающая основные параметры рассматриваемой системы : ее инертные, упругие и диссипативные свойства. Возникновение автоколебаний связано с нелинейностью сил трения и наблюдается при определенном сочетании параметров системы.

Исследование влияния гравитационных сил на неподвижную каплю Исследование влияния гравитационных сил на неподвижную каплю

Неподвижная капля на гидрофильной подложке V=50 мкл φ=35° h=1.48 мм R(teor)=4.47 мм R(exp)=4.63 мм

Неподвижная капля на гидрофобной подложке V=50 мкл φ=85° h=2.36 мм, R(teor)=3.245 мм, R(exper)=3.225 мм

Цель работы 1. Определение критической скорости вращения микро - капли, при которой происходит ее разрушение 2. Исследования зависимости формы микро - капли на вращающейся подложке от угловой скорости вращения с учетом влияния гравитационных сил Исследование формы и устойчивости капли жидкости на вращающейся подложке

Модель Форма капли - результат взаимодействия сил внутреннего давления (суммы статического давления и давления центростремительных сил инерции) и компенсирующего их давления сил поверхностного натяжения. Рис.1. Баланс сил давления и поверхностного натяжения в капле. Граничные условия на капле Рассмотрим тонкий срез капли, сделанный в плоскости, перпендикулярной оси z (рис.1). dF = 2πS(z)pdl dF = 2πS(z)σdφ

Дифференциальное уравнение, определяющее форму капли

Эксперимент Эксперимент 1.Гидрофильная подложка: От 0 до 750 об/мин с шагом Гидрофобная подложка: От 0 до 1000 об/мин с шагом 100 Установка Spin Coater P6700 В качестве подложки использовали покровные стекла для микроскопа толщиной 0.17 мм, размером 23х23 мм.

Гидрофильная подложка V=50 мкл Т=23

Гидрофобная подложка

Сравнение теоретических расчетов с экспериментом Капля воды объемом 50 мкл на гидрофильной подложке (300 об/мин) Сравнение теоретической кривой, описывающей форму капли воды на стеклянной подложке (сплошная линия), с экспериментом (кресты).

Капля воды объемом 50 мкл на гидрофобной (500 об/мин) Сравнение теоретической кривой, описывающей форму капли воды на подложке из полистирола (сплошная линия), с экспериментом (кресты).

Зависимость критической скорости вращения капли воды на гидрофильной подложке (вертикальная ось) от ее объема: теория (ломаная линия) и эксперимент (наборы точек).

Зависимость критической скорости вращения капли воды на гидрофобной подложке ( вертикальная ось ) от ее объема : теория ( ломаная линия ) и эксперимент ( наборы точек ).

Исследования зависимости формы микро-капли на вращающейся подложке от угловой скорости вращения с учетом влияния гравитационных сил

Вращающаяся капля на гидрофобной подложке

Вращающаяся капля на гидрофильной подложке

Выводы Выводы 1. Устойчивость микро - капли воды связана с равновесием между силами инерции и капиллярными силами ( силы поверхностного натяжения и смачивания ) 2. При увеличении угловой скорости вращения нарастает отличие формы капли от сферической 3. Существует критическая скорость вращения, при которой равновесие сил невозможно. При этом капля разрушается 4. С увеличением размера капли критическая скорость уменьшается

Спасибо за внимание !