исследование формы и устойчивости капли жидкости на

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 микрокапли 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
Рис. 1. Эволюция со временем радиуса капли воды на подложке
(верхний график) и ее высоты (нижний график). 4
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)
Адсорбция и межфазные силы
(взаимодействие растворителя
и растворенного вещества с
подложкой).
Гидродинамические потоки.
Сила тяготения.
подложка

сф
кро
ми
еры
я
зи
пен
сус
Механическая аналогия
Процессы, происходящие в
мениске при испарении:
•
Смещение
контактной
линии относительно частиц.
•
Смещение
частиц
относительно пластинки.
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)
Численный расчет, произведенный по нашей
модели ( в безразмерных величинах)
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
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
Исследование формы и устойчивости
капли жидкости на вращающейся
подложке
Цель работы
1.
2.
Определение критической скорости вращения
микро-капли, при которой происходит ее
разрушение
Исследования зависимости формы микро-капли на
вращающейся подложке от угловой скорости
вращения с учетом влияния гравитационных сил
Модель
Форма капли - результат взаимодействия сил внутреннего давления (суммы
статического давления и давления центростремительных сил инерции) и
компенсирующего их давления сил поверхностного натяжения.
Рассмотрим тонкий срез
капли, сделанный в
плоскости, перпендикулярной
оси z (рис.1).
dF = 2πS(z)σdφ
dF = 2πS(z)pdl
Рис.1. Баланс сил давления и поверхностного
натяжения в капле. Граничные условия на капле
Дифференциальное уравнение,
определяющее форму капли
Эксперимент
1. Гидрофильная подложка:
От 0 до 750 об/мин с шагом 100
2. 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 0C
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
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
1.
Спасибо за
внимание!