液滴蒸发中固液界面特性对咖啡环效应的影响机制研究

The evaporation of sessile droplets on solid surface is quite ubiquitous in nature. During evaporation, the non-volatile solutes and suspended particles deposit and form ring-like residues near the contact line, called the coffee-ring effect. This non-uniform deposition may affect many processes including printing, DNA/RNA and protein microarray manufacturing and surface spectroscopy. The coffee-ring effect can be attributed to the pinning of the contact line during droplet evaporation, the capillary flow due to the evaporation on liquid-air interface brings the non-volatile solutes and suspended particles to the contact line and deposit there. The characteristics of solid-liquid surface will affect the nearby capillary flow and have influence on the transportation and deposition of suspended particles. Therefore, study the influence of the characteristics of solid-liquid surface is quite important to the suppression or the utilization of coffee ring effect. In this project, we want to use the molecular dynamics simulation together with the scanning transmission X-ray microscopy of Shanghai Synchrotron Radiation Facility to study the effect of the changing of solid-liquid surface characteristics on coffee-ring effect, and find the mechanism of solid-liquid surface characteristics on coffee-ring effect, which may help us suppress or utilize coffee-ring effect in many fields.

液滴在固体表面上的蒸发在自然界中普遍存在。在蒸发过程中，液滴中的非挥发性溶质或悬浮颗粒会在三相接触线附近堆积并形成环状的残余，被称为咖啡环效应。这种非均一的残余会对印刷、DNA/RNA和蛋白芯片的制备、表面测量技术的效果等诸多方面产生影响。咖啡环效应是由于在液滴的蒸发过程中，三相接触线被锚定，液滴表面的蒸发使液滴内部形成毛细流将非挥发性溶质和悬浮颗粒带到三相接触线附近并堆积起来。其中固液界面的性质会对附近的毛细流产生影响，从而影响到颗粒的输运和堆积。所以研究固液界面性质对咖啡环效应的影响机制对于抑制或利用咖啡环效应都非常重要。本项目拟将分子动力学模拟与上海光源的扫描透射X射线显微技术(STXM)观测手段相结合，研究固液界面特性的改变对咖啡环效应的影响，建立关于固液界面性质对咖啡环效应影响机制的理论, 以帮助我们在诸多领域抑制或利用咖啡环效应。

我们研究了纳米尺度水中的离子对表面水蒸发的影响，发现在均一的氧化石墨烯表面和有亲疏水图样结构的氧化石墨烯表面上的纳米水层中含有一定量的离子后，纳米水层的蒸发速度都会下降，而有亲疏水图样结构的氧化石墨烯表面上纳米水层蒸发速度的下降更明显。总结了之前在固体表面纳米尺度水的蒸发特性方面的一些理论工作：包括当单一亲疏水性质的表面从疏水向亲水变化时，表面上的纳米尺度水的蒸发呈现出先增加后降低的特点；在纳米尺度亲疏水间隔图案表面纳米尺度水的蒸发比任何单一亲疏水性表面都要快的反常现象；纳米尺度水在不均匀氧化的氧化石墨烯表面也呈现出比均匀氧化的氧化石墨烯表面更高的蒸发速度；温度对固体表面纳米尺度水蒸发的影响；离子对氧化石墨烯表面纳米尺度水蒸发的影响。通过实验，我们发现只需要在悬浮液中加入微量的盐就可以明显抑制液滴蒸发过程中的咖啡环效应，使得悬浮液中的悬浮物能均匀地沉积石墨烯，天然石墨和聚对苯二甲酸乙二醇酯的表面。通过分子动力学模拟，我们发现悬浮物以离子为媒介通过水合离子和基底中的芳香环之间形成的强离子-作用被吸附到基底表面，而不会被蒸发时的液滴内部的环流所带动。