胶体纳升液滴蒸发过程中的图案形成：数值与实验研究

在固体表面上精确图案化颗粒的一种有效方法是分配并蒸发胶体液滴，例如在生物测定中。干燥沉积物通常表现出复杂的结构，以咖啡环图案为例，其中大多数颗粒聚集在沉积物的外围。在本工作中，通过数值和实验方法研究了平坦基底上纳升胶体液滴干燥过程中沉积物的形成。开发了一个有限元数值模型，在拉格朗日框架下求解纳维-斯托克斯方程、热量和质量输运方程。数值求解了大气中蒸汽的扩散，为液滴-空气界面处的蒸发通量提供了精确的边界条件。考虑了拉普拉斯应力和热马兰戈尼应力。通过求解连续的对流-扩散方程来追踪颗粒浓度。基于润湿角的标准对润湿线运动和液滴自由表面与生长沉积物的相互作用进行了建模。蒸发时间和流场的数值结果与已发表的实验和理论结果吻合良好。我们还对负载聚苯乙烯微球的水和异丙醇液滴分别在玻璃和聚二甲基硅氧烷基底上蒸发进行了瞬态可视化实验。测得的蒸发时间、沉积物形状和尺寸以及流场与数值结果吻合良好。由马兰戈尼环流和径向流的竞争引起的不同流型被证明决定了沉积物形状是环状图案还是均匀凸起。