含双分散纳米颗粒混合物干燥薄膜中的分层现象

我们使用带有显式溶剂的双分散纳米颗粒悬浮液的大规模分子动力学模拟，研究蒸发速率和体积分数对干燥过程中纳米颗粒分布的影响。我们的结果表明，当 ${\rm Pe}_s\phi_s \gtrsim c$ 且 $c\sim 1$ 时，会出现“小在上”分层，其中 ${\rm Pe}_s$ 为佩克莱（Péclet）数，$\phi_s$ 为较小颗粒的体积分数。该“小在上”的 ${\rm Pe}_s\phi_s$ 阈值比将溶剂视为隐式黏性背景的模型预测值大约 $\sim\alpha^2$ 倍，其中 $\alpha$ 为大颗粒与小颗粒的尺寸比。我们的模拟进一步表明，当溶剂的蒸发速率降低时，“小在上”分层会增强，这是现有理论所未预测的。这一意外行为由蒸发冷却在液-气界面引起的溶剂密度正梯度所导致的热泳现象解释。对于超快蒸发，梯度很大并将纳米颗粒驱向液/气界面。该热泳效应对较大纳米颗粒更强，因此当蒸发速率较慢时（但不至于过慢以至于干燥薄膜中纳米颗粒均匀分布），“小在上”分层变得更加明显，因为有利于较大颗粒在上的热泳被削弱了。类似效应可在 ${\rm Pe}_s\phi_s$ 高于阈值且 ${\rm Pe}_s$ 大而 $\phi_s$ 小时导致“大在上”分层。我们的结果揭示了在建模蒸发诱导的颗粒分离与有序化时显式包含溶剂的重要性，并指出了超快蒸发所带来的密度梯度的重要作用。