Обезвоживание

Оттягивание жидкости от поверхности, которую она была вынуждена покрыть

В механике жидкости , вымывание является одним из процессов, которые могут происходить на границе раздела твердое тело–жидкость, твердое тело–твердое тело ^[1] или жидкость–жидкость . Обычно вымывание описывает процесс отвода жидкости от несмачиваемой поверхности, которую она вынуждена покрывать. Противоположный процесс — растекание жидкости по подложке — называется смачиванием . Фактором, определяющим спонтанное растекание и вымывание для капли жидкости, помещенной на твердую подложку с окружающим газом, является так называемый коэффициент растекания S :

Диаграмма поверхностного натяжения капли жидкости на твердой подложке. Поверхность жидкости имеет форму сферической шапки , из-за давления Лапласа

${\displaystyle S\ =\gamma _{\text{SG}}-\gamma _{\text{SL}}-\gamma _{\text{LG}}}$

где γ _SG — поверхностное натяжение твердое тело-газ , γ _SL — поверхностное натяжение твердое тело-жидкость и γ _LG — поверхностное натяжение жидкость-газ (измеренное для сред до того, как они соприкоснутся друг с другом).

При S > 0 происходит спонтанное растекание, а при S < 0 наблюдается частичное смачивание, то есть жидкость покроет подложку лишь в некоторой степени. ^[2]

Равновесный краевой угол определяется из уравнения Юнга–Лапласа . ${\displaystyle \theta _{\text{c}}}$

Распределение и высушивание являются важными процессами для многих применений, включая адгезию , смазку , покраску, печать и защитное покрытие. Для большинства применений высушивание является нежелательным процессом, поскольку оно разрушает нанесенную жидкую пленку.

Смачивание можно замедлить или предотвратить путем фотосшивания тонкой пленки перед отжигом или путем включения в пленку добавок наночастиц. ^[3]

Поверхностно-активные вещества могут оказывать значительное влияние на коэффициент распространения. При добавлении поверхностно-активного вещества его амфифильные свойства делают его энергетически более выгодным для миграции к поверхности, что снижает межфазное натяжение и, таким образом, увеличивает коэффициент распространения (т.е. делает S более положительным). По мере того, как больше молекул поверхностно-активного вещества поглощается поверхностью раздела, свободная энергия системы уменьшается в тандеме с падением поверхностного натяжения, в конечном итоге приводя к тому, что система становится полностью смачивающей .

В биологии, по аналогии с физикой потери жидкости, процесс образования туннелей через эндотелиальные клетки получил название клеточного потери жидкости .

Обезвоживание тонких полимерных пленок

В большинстве исследований по вымачиванию тонкая полимерная пленка наносится методом центрифугирования на подложку. Даже в случае, если пленка не вымачивается немедленно, если она находится в метастабильном состоянии, например, если температура ниже температуры стеклования полимера. Отжиг такой метастабильной пленки выше ее температуры стеклования увеличивает подвижность молекул полимерной цепи, и происходит вымачивание. ^{[4] [5]} ${\displaystyle S<0}$

Процесс десумации происходит путем зарождения и роста случайно сформированных отверстий, которые объединяются, образуя сеть нитей, прежде чем распадаться на капли. ^[6] При запуске из непрерывной пленки образуется нерегулярный рисунок капель. Размер капель и расстояние между ними могут варьироваться на несколько порядков, поскольку десумация начинается с случайно сформированных отверстий в пленке. Между образующимися сухими пятнами нет пространственной корреляции. Эти сухие пятна растут, и материал накапливается в ободе, окружающем растущее отверстие. В случае, когда изначально однородная пленка тонкая (в диапазоне 100 нм), образуется полигональная сеть связанных нитей материала, как узор Вороного из многоугольников. Затем эти нити могут распадаться на капли, процесс, который известен как неустойчивость Плато-Рэлея . При других толщинах пленки можно наблюдать другие сложные рисунки капель на подложке, которые возникают из-за пальцеобразной нестабильности растущего обода вокруг сухого пятна.

• 
  Круглое отверстие, образованное в пленке полистирола толщиной 100 нм. Синий цвет пленки обусловлен структурной окраской и зависит от толщины пленки.
• 
  Профиль высоты АСМ края отверстия для удаления смачивания. Обратите внимание, что материал, удаляемый при удалении смачивания, накапливается на краю вокруг отверстия; начальная толщина пленки (высота): 100 нм.
• 
  Рисунок мозаики Вороного из полигонов, полученный путем объединения отверстий для вымывания.
• 
  Если дать этой сети полигонов достаточно времени, она распадется на отдельные капли.
• 
  Нестабильность края в случае более толстой (200 нм) полистирольной пленки.

Обезвоживание тонких металлических пленок

Твердотельное выпотевание тонких металлических пленок описывает преобразование тонкой пленки в энергетически выгодный набор капель или частиц при температурах значительно ниже точки плавления. Движущей силой выпотевания является минимизация полной энергии свободных поверхностей пленки и подложки, а также интерфейса пленка-подложка. ^[7] Специальная нагревательная стадия в СЭМ широко используется для точного контроля температуры образца с помощью термопары для наблюдения за поведением материала in situ и может быть записана в виде видеоформата. ^[8] Между тем, двумерную морфологию можно непосредственно наблюдать и характеризовать. т. е. частично выпотевшая пленка Ni сама по себе является работоспособным топливным электродом для SOC, поскольку она обеспечивает длинные линии TPB, если структура достаточно тонкая, связность фаз никеля и пор, а также линий TPB можно использовать для характеризации SOFC.

Ссылки

1. Лерой, Ф.; Боровик, Л.; Чейнис, Ф.; Альмадори, И.; Куриотто, С.; Траутманн, М.; Барбе, Дж. К.; Мюллер, П. (2016). «Как контролировать выветривание твердого тела: краткий обзор». Surface Science Reports . 71 (2): 391. Bibcode : 2016SurSR..71..391L. doi : 10.1016/j.surfrep.2016.03.002.
2. Розен, Милтон Дж. (2004). Поверхностно-активные вещества и межфазные явления (3-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси : Wiley-Interscience. стр. 244. ISBN 978-0-471-47818-8. OCLC  475305499.
3. Кэрролл, Грегори Т.; Турро, Николас Дж.; Коберштейн, Джеффри Т. (2010) Формирование рисунка вымывания в тонких полимерных пленках с помощью пространственно направленного фотосшивания. Журнал коллоидной и интерфейсной науки, том 351, стр. 556-560 doi :10.1016/j.jcis.2010.07.070
4. Leroux, Frédéric; Campagne, Christine; Perwuelz, Anne; Gengembre, Léon (2008). «Химические и физические модификации полипропиленовой пленки с помощью обработки плазмой диэлектрического барьерного разряда при атмосферном давлении». Journal of Colloid and Interface Science . 328 (2): 412–20. Bibcode : 2008JCIS..328..412L. doi : 10.1016/j.jcis.2008.09.062. PMID  18930244.
5. Карапанагиотис, Иоаннис; Герберих, Уильям У. (2005). «Разрыв полимерной пленки в сравнении с выравниванием и вымыванием». Surface Science . 594 (1–3): 192–202. Bibcode :2005SurSc.594..192K. doi :10.1016/j.susc.2005.07.023.
6. Рейтер, Гюнтер (1992-01-06). "Dewetting of thin polymer films". Physical Review Letters . 68 (1): 75–78. Bibcode : 1992PhRvL..68...75R. doi : 10.1103/PhysRevLett.68.75. PMID  10045116.
7. Сонг, Боуэн; Бертей, Антонио; Ван, Синь; Купер, Сэмюэл Дж.; Руис-Трехо, Энрике; Чоудхури, Ридванур; Подор, Рено; Брэндон, Найджел П. (апрель 2019 г.). «Раскрытие механизмов твердотельного осушения в твердооксидных ячейках с новыми двумерными электродами». Журнал источников питания . 420 : 124–133. Bibcode : 2019JPS...420..124S. doi : 10.1016/j.jpowsour.2019.02.068. hdl : 11568/964958 . S2CID  108162800.
8. Сонг, Боуэн; Бертей, Антонио; Ван, Синь; Купер, Сэмюэл Дж.; Руис-Трехо, Энрике; Чоудхури, Ридванур; Подор, Рено; Брэндон, Найджел П. (2019). «Видеоролики вымывания твердого тела Ni на месте». 420 . doi :10.5281/zenodo.2546395. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )

Внешние ссылки