コーヒーリング効果
Capillary flow effect
こぼれたコーヒーの蒸発によって生じたシミ

物理学において、「コーヒーリング」とは、粒子を含んだ液体が蒸発した後に残る模様のことです。この現象は、こぼれたコーヒーの周囲に特徴的なリング状の沈殿物が形成されることから名付けられました。また、赤ワインをこぼした後にもよく見られます。このようなリングや類似のリングが形成されるメカニズムは、コーヒーリング効果、あるいは場合によってはコーヒーステイン効果、あるいは単にリングステインと呼ばれています。

流動機構

コーヒーリング模様は、液滴の蒸発によって引き起こされる毛細管現象に起因します。つまり、端から蒸発した液体は、内部からの液体によって補充されます。 [1]この流れは、分散物質のほぼすべてを端まで運びます。時間の関数として、このプロセスは「ラッシュアワー効果」、つまり乾燥プロセスの最終段階で端に向かって流れが急速に加速する現象を示します。[2]

蒸発は液滴内にマランゴニ流を誘起します。この流れが強い場合、粒子は液滴の中心へと再分配されます。したがって、粒子が液滴の縁に集まるためには、液体が弱いマランゴニ流を持つか、あるいは何らかの原因で流れが阻害される必要があります。[3] 例えば、界面活性剤を添加することで液体の表面張力勾配を弱め、誘起された流れを阻害することができます。水はもともと弱いマランゴニ流を持っていますが、天然界面活性剤によってその流れは大幅に弱まります。[4]

コーヒーリングの形成には、液滴中に浮遊する粒子と液滴の自由表面との相互作用が重要である。[5]「液滴が蒸発すると、自由表面が崩壊し、浮遊粒子を捕捉する…最終的にはすべての粒子が自由表面に捕捉され、液滴の縁に向かう残りの移動の間、そこに留まる。」[6]この結果は、界面活性剤を用いることで、液滴内部のバルクフローを制御するのではなく、液滴の表面張力を変化させることで溶質粒子の運動を制御できることを意味する。結果として、堆積粒子には様々な独特な形態が生じる可能性がある。例えば、エナンチオマー的に純粋なポリイソシアネート誘導体は、押しつぶされたドーナツ構造の整列した配列を形成することが示されている。[7]

抑制

ポリスチレン粒子（直径1.4μm）とセルロース繊維（直径約20nm、長さ約1μm）のコロイド混合物によって生成された染み。ポリスチレン濃度は0.1重量%に固定され、セルロース濃度は0（左）、0.01（中央）、0.1重量%（右）である。 [2]

コーヒーリング模様は、プリンテッドエレクトロニクスなど、乾燥した堆積物を均一に塗布する必要がある場合に有害です。コーヒーリング模様は、コーヒーリング効果を引き起こす球状粒子にセルロース繊維などの細長い粒子を添加することで抑制できます。添加する粒子のサイズと重量分率は、主粒子よりも小さくても構いません。[2]

また、液滴内の流れを制御することは、例えば蒸発時に発生する溶質のマランゴニ流を利用することによって、均一な膜を生成する強力な方法であることも報告されている。[8]

低沸点溶媒と高沸点溶媒の混合物はコーヒーリング効果を抑制し、析出した溶質の形状をリング状から点状に変化させることが示された。[9]

基板温度の制御は、水性PEDOT:PSS溶液の液滴によって形成されるコーヒーリングを抑制する効果的な方法であることが示された。[10]加熱された親水性または疎水性基板上では、内側に堆積物を持つより薄いリングが形成され、これはマランゴニ対流に起因する。[11]

滑りやすい表面における基板の濡れ性を制御することで、液滴接触線のピンニングを防ぐことができ、接触線に堆積する粒子数を減らすことでコーヒーリング効果を抑制することができます。超疎水性表面や液体含浸表面上の液滴は、ピンニングされた接触線を形成する可能性が低く、リングの形成を抑制します。[12]液滴接触線にオイルリングが形成された液滴は高い移動性を有し、疎水性表面上でのリング形成を回避できます。[13]

交流電圧エレクトロウェッティングは、表面活性物質を添加する必要なくコーヒーの染みを抑制する可能性がある。[14]接触線付近の毛細管力により、粒子の逆運動もコーヒーリング効果を低減する可能性がある。 [15]毛細管力が幾何学的制約によって外向きのコーヒーリングの流れに勝ったときに、逆転が起こる。

サイズとパターンの決定要因

コーヒーリングの下限サイズは、液体の蒸発と浮遊粒子の運動との間の時間スケールの競合に依存する。[16] 三相接触線付近で液体の蒸発が粒子の運動よりもはるかに速くなるとき、コーヒーリングはうまく形成されない。その代わりに、これらの粒子は液体が完全に蒸発すると表面に均一に分散する。サイズが100 nmの浮遊粒子の場合、コーヒーリング構造の最小直径は10 μm、つまり人間の髪の毛の幅の約10分の1であることがわかっている。液体中の粒子の形状がコーヒーリング効果の原因である。[17] [18]多孔質基板上では、浸透、粒子の運動、溶媒の蒸発の間の競合が最終的な堆積形態を支配する。[19]

液滴溶液のpHは最終的な堆積パターンに影響を与えます。[ 20 ]これらのパターン間の遷移は、静電力やファンデルワールス力などのDLVO相互作用が粒子堆積プロセスをどのように変化させるかを考慮することで説明されます。

アプリケーション

コーヒーリング効果は、毛細管駆動アセンブリを使用して基板上の粒子を整列させたい研究者によって対流堆積に利用され、静止した液滴を基板全体に引き寄せられた前進するメニスカスに置き換えます。[21] [22] [23] このプロセスは、重力ではなく蒸発が基板に沿った流れを駆動するという点でディップコーティングとは異なります。

対流沈着は粒子の配向を制御でき、半球形、[24]二量体、[25]ダンベル[26]形状の粒子などの非球形粒子から結晶性単層フィルムを形成できます。配向は、蒸発が発生する薄いメニスカス層内で粒子が最大充填状態に到達しようとするシステムによって実現されます。彼らは、溶液中の粒子の体積分率を調整することで、集合が発生するさまざまなメニスカスの厚さに沿った特定の場所を制御できることを示しました。粒子は、その長い寸法がメニスカス位置での濡れ層の厚さに等しいかどうかに応じて、長軸が面内または面外になるように整列します。[26]このような厚さの遷移は球形粒子でも確立されました。[27]その後、対流集合が多層の集合において粒子の配向を制御できることが示され、ダンベル形状の粒子から長距離 3D コロイド結晶が生成されます。[28]これらの発見は、フォトニクスなどの用途におけるコロイド結晶膜の自己組織化にとって魅力的なものでした。[28]最近の進歩により、コロイド粒子からのコーヒーリング集合の無機結晶の組織化されたパターンへの応用が増加しています。[12]

参考文献

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