Efecto de anillo de café

En física , el anillo de café es un patrón de partículas que queda en la superficie tras la evaporación de una suspensión líquida . Este fenómeno recibe su nombre por el característico depósito en forma de anillo que se forma en el perímetro de un derrame de café . También se observa comúnmente tras derramar vino tinto. El mecanismo que explica la formación de estos y otros anillos similares se conoce como efecto del anillo de café o, en algunos casos, efecto de la mancha de café , o simplemente mancha anular . Se origina por el flujo capilar que se dirige desde el interior hacia el borde del charco a medida que este se evapora.

El patrón de anillo de café se origina por el flujo capilar inducido por la evaporación de la gota: el líquido que se evapora del borde se repone con el líquido del interior. ^{[ 1 ]} La corriente resultante puede transportar casi todo el material disperso hasta el borde. En función del tiempo, este proceso presenta un efecto de "hora punta", es decir, una rápida aceleración del flujo hacia el borde en la etapa final del proceso de secado. ^{[ 2 ]}

La evaporación induce un flujo de Marangoni dentro de una gota. Si el flujo es fuerte, redistribuye las partículas hacia el centro de la gota. Por lo tanto, para que las partículas se acumulen en los bordes, el líquido debe tener un flujo de Marangoni débil, o debe ocurrir algo que lo interrumpa. ^{[ 3 ]} Por ejemplo, se pueden agregar tensioactivos para reducir el gradiente de tensión superficial del líquido, interrumpiendo así el flujo inducido. El agua tiene un flujo de Marangoni débil de por sí, que luego se reduce significativamente con tensioactivos naturales. ^{[ 4 ]}

La interacción de las partículas suspendidas en una gota con la superficie libre de la misma es importante para la formación del anillo de café. ^{[ 5 ]} "Cuando la gota se evapora, la superficie libre colapsa y atrapa las partículas suspendidas... finalmente, todas las partículas son capturadas por la superficie libre y permanecen allí durante el resto de su recorrido hacia el borde de la gota." ^{[ 6 ]} Este resultado significa que los surfactantes pueden usarse para manipular el movimiento de las partículas del soluto cambiando la tensión superficial de la gota, en lugar de intentar controlar el flujo masivo dentro de la gota. Pueden resultar diversas morfologías únicas de las partículas depositadas. Por ejemplo, se ha demostrado que un derivado de poli(isocianato) enantiopuro forma matrices ordenadas de estructuras de rosquilla aplastadas. ^{[ 7 ]}

El patrón de anillo de café resulta perjudicial cuando se requiere una aplicación uniforme de un depósito seco, como en la electrónica impresa . Puede suprimirse añadiendo partículas alargadas, como fibras de celulosa , a las partículas esféricas que causan el efecto de anillo de café. El tamaño y la fracción en peso de las partículas añadidas pueden ser menores que los de las partículas primarias. ^{[ 2 ]}

También se informa que controlar el flujo dentro de una gota es una forma eficaz de generar una película uniforme; por ejemplo, aprovechando los flujos de Marangoni de soluto que ocurren durante la evaporación. ^{[ 8 ]}

Se ha demostrado que las mezclas de disolventes de bajo y alto punto de ebullición suprimen el efecto del anillo de café, cambiando la forma del soluto depositado de una forma anular a una forma puntiforme. ^{[ 9 ]}

Se demostró que el control de la temperatura del sustrato es una forma eficaz de suprimir el anillo de café formado por gotas de solución acuosa de PEDOT:PSS . ^{[ 10 ]} En un sustrato hidrófilo o hidrófobo calentado, se forma un anillo más delgado con un depósito interno, lo que se atribuye a la convección de Marangoni. ^{[ 11 ]}

El control de las propiedades de humectación del sustrato en superficies resbaladizas puede prevenir la fijación de la línea de contacto de la gota, lo que, por lo tanto, suprimirá el efecto del anillo de café al reducir la cantidad de partículas depositadas en la línea de contacto. Las gotas sobre superficies superhidrofóbicas o impregnadas de líquido tienen menos probabilidades de tener una línea de contacto fija y suprimirán la formación del anillo. ^{[ 12 ]} Las gotas con un anillo de aceite formado en la línea de contacto de la gota tienen alta movilidad y pueden evitar la formación del anillo en superficies hidrofóbicas. ^{[ 13 ]}

La electromoja de voltaje alterno puede suprimir las manchas de café sin necesidad de añadir materiales tensioactivos. ^{[ 14 ]} El movimiento inverso de las partículas también puede reducir el efecto del anillo de café debido a la fuerza capilar cerca de la línea de contacto. ^{[ 15 ]} La inversión se produce cuando la fuerza capilar prevalece sobre el flujo del anillo de café hacia afuera debido a las restricciones geométricas.

El tamaño límite inferior de un anillo de café depende de la competencia de escalas de tiempo entre la evaporación del líquido y el movimiento de partículas en suspensión. ^{[ 16 ]} Cuando el líquido se evapora mucho más rápido que el movimiento de partículas cerca de una línea de contacto trifásica, no se puede formar un anillo de café con éxito. En cambio, estas partículas se dispersarán uniformemente sobre una superficie una vez que el líquido se evapore por completo. Para partículas en suspensión de tamaño 100  nm, se ha encontrado que el diámetro mínimo de la estructura del anillo de café es de 10 μm, o aproximadamente 10 veces menor que el ancho de un cabello humano . La forma de las partículas en el líquido es responsable del efecto del anillo de café. ^{[ 17 ] [ 18 ]} En sustratos porosos, la competencia entre la infiltración, el movimiento de partículas y la evaporación del solvente rige la morfología de deposición final. ^{[ 19 ]}

El pH de la solución de la gota influye en el patrón de depósito final. ^{[ 20 ]} La transición entre estos patrones se explica considerando cómo las interacciones DLVO, como las fuerzas electrostáticas y de Van der Waals , modifican el proceso de deposición de partículas .

El efecto del anillo de café se utiliza en la deposición convectiva por investigadores que desean ordenar partículas en un sustrato mediante ensamblaje impulsado por capilaridad, reemplazando una gota estacionaria con un menisco que avanza dibujado a través del sustrato. ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} Este proceso difiere del recubrimiento por inmersión en que la evaporación impulsa el flujo a lo largo del sustrato en lugar de la gravedad.

La deposición convectiva puede controlar la orientación de las partículas, lo que da como resultado la formación de películas monocapa cristalinas a partir de partículas no esféricas como hemisféricas, ^{[ 24 ]} dímeros, ^{[ 25 ]} y partículas con forma de mancuerna ^{[ 26 ]} . La orientación se logra cuando el sistema intenta alcanzar un estado de empaquetamiento máximo de las partículas en la delgada capa meniscal sobre la cual ocurre la evaporación. Demostraron que ajustar la fracción de volumen de partículas en solución controlará la ubicación específica a lo largo del espesor variable del menisco en la que ocurre el ensamblaje. Las partículas se alinearán con su eje largo dentro o fuera del plano dependiendo de si su dimensión más larga de la partícula es igual o no al espesor de la capa humectante en la ubicación del menisco. ^{[ 26 ]} Tales transiciones de espesor también se establecieron con partículas esféricas. ^{[ 27 ]} Posteriormente se demostró que el ensamblaje convectivo podría controlar la orientación de las partículas en el ensamblaje de multicapas, lo que da como resultado cristales coloidales 3D de largo alcance a partir de partículas con forma de mancuerna. ^{[ 28 ]} Estos hallazgos resultaron atractivos para el autoensamblaje de películas de cristales coloidales para aplicaciones como la fotónica. ^{[ 28 ]} Los avances recientes han aumentado la aplicación del ensamblaje de anillos de café a partir de partículas coloidales para formar patrones organizados de cristales inorgánicos. ^{[ 12 ]}