Deumidificazione - Dewetting

In meccanica dei fluidi , dewetting è uno dei processi che possono verificarsi in un solido-liquido, solido-solido o liquido-liquido interfaccia . Generalmente, il dewetting descrive il processo di retrazione di un fluido da una superficie non bagnabile che è stato costretto a coprire. Il processo opposto, la diffusione di un liquido su un substrato, è chiamato bagnatura . Il fattore che determina la diffusione spontanea e la deumidificazione per una goccia di liquido posta su un substrato solido con gas ambiente, è il cosiddetto coefficiente di diffusione S:

Diagramma della tensione superficiale di una goccia di liquido su un substrato solido. La superficie del liquido ha la forma di una calotta sferica , a causa della pressione di Laplace

${\displaystyle S\ =\gamma _{\text{SG}}-\gamma _{\text{SL}}-\gamma _{\text{LG}}}$

dove è la tensione superficiale solido-gas , è la tensione superficiale solido-liquido ed è la tensione superficiale liquido-gas (misurata per i mezzi prima che vengano messi in contatto tra loro). ${\displaystyle \gamma _{\text{SG}}}$${\displaystyle \gamma _{\text{SL}}}$${\displaystyle \gamma _{\text{LG}}}$

Quando , si verifica la diffusione spontanea, e se , si osserva una bagnatura parziale, il che significa che il liquido coprirà solo in una certa misura il substrato. ${\displaystyle S>0}$${\displaystyle S<0}$

L' angolo di contatto di equilibrio è determinato dall'equazione di Young-Laplace . ${\displaystyle \theta _{\text{c}}}$

La diffusione e la deumidificazione sono processi importanti per molte applicazioni, tra cui adesione , lubrificazione , verniciatura, stampa e rivestimento protettivo. Per la maggior parte delle applicazioni, la deumidificazione è un processo indesiderato, perché distrugge la pellicola liquida applicata.

La deumidificazione può essere inibita o impedita mediante fotoreticolazione del film sottile prima della ricottura o incorporando additivi di nanoparticelle nel film.

I tensioattivi possono avere un effetto significativo sul coefficiente di diffusione. Quando viene aggiunto un tensioattivo, le sue proprietà anfifiliche fanno sì che sia più energeticamente favorevole a migrare in superficie, diminuendo la tensione interfacciale e aumentando così il coefficiente di diffusione (cioè rendendo S più positivo). Man mano che più molecole di tensioattivo vengono assorbite nell'interfaccia, l'energia libera del sistema diminuisce di pari passo con la diminuzione della tensione superficiale, causando infine la completa bagnatura del sistema .

In biologia, per analogia con la fisica della deumidificazione liquida, il processo di formazione del tunnel attraverso le cellule endoteliali è stato denominato deumidificazione cellulare .

Deumidificazione di film sottili di polimeri

Nella maggior parte degli studi di dewetting, un sottile film polimerico viene fatto girare su un substrato. Anche nel caso del film non si deumidifica immediatamente se è in uno stato metastabile, ad esempio se la temperatura è inferiore alla temperatura di transizione vetrosa del polimero. La ricottura di una tale pellicola metastabile al di sopra della sua temperatura di transizione vetrosa aumenta la mobilità delle molecole della catena polimerica e avviene la deumidificazione. ${\displaystyle S<0}$

Il processo di deumidificazione avviene mediante la nucleazione e la crescita di fori formati casualmente, che si uniscono per formare una rete di filamenti, prima di rompersi in goccioline. Quando si parte da un film continuo, si forma uno schema irregolare di goccioline. La dimensione e la distanza delle gocce possono variare su diversi ordini di grandezza, poiché la deumidificazione inizia da fori formati casualmente nella pellicola. Non c'è correlazione spaziale tra le macchie secche che si sviluppano. Queste macchie secche crescono e il materiale si accumula nel bordo che circonda il foro in crescita. Nel caso in cui il film inizialmente omogeneo sia sottile (nell'intervallo di 100 nm (4 × 10 ^{-6 pollici}  )), si forma una rete poligonale di stringhe di materiale collegate, come un modello di poligoni Voronoi . Queste stringhe possono quindi rompersi in goccioline, un processo noto come instabilità di Plateau-Rayleigh . Ad altri spessori del film, si possono osservare altri modelli complicati di goccioline sul substrato, che derivano da un'instabilità di diteggiatura del bordo in crescita attorno al cerotto secco.

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  Foro circolare formato in un film di polistirene spesso 100 nm. Il colore blu del film è dovuto alla colorazione strutturale e dipende dallo spessore del film.

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  Profilo in altezza AFM del bordo di un foro di dewetting. Notare che il materiale che viene rimosso dalla deumidificazione si accumula sul bordo attorno al foro; spessore iniziale del film (altezza): 100 nm.

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  Schema di tassellazione Voronoi di poligoni ottenuto dalla coalescenza di fori di dewetting.

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  Se gli viene dato abbastanza tempo, questa rete di poligoni decade in goccioline separate.

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  Instabilità del bordo nel caso di un film di polistirene più spesso (200 nm).

Deumidificazione di film sottili di metallo

La deumidificazione allo stato solido dei film sottili di metallo descrive la trasformazione di un film sottile in un insieme energeticamente favorito di goccioline o particelle a temperature ben al di sotto del punto di fusione. La forza trainante per il dewetting è la minimizzazione dell'energia totale delle superfici libere del film e del substrato, nonché dell'interfaccia film-substrato. La fase di riscaldamento dedicata in SEM è stata ampiamente utilizzata per controllare accuratamente la temperatura del campione attraverso una termocoppia per osservare il comportamento in situ del materiale e può essere registrata come formato video. Nel frattempo, la morfologia bidimensionale può essere osservata e caratterizzata direttamente. cioè. il film di Ni parzialmente dewetted è esso stesso un elettrodo di combustibile praticabile per SOC in quanto fornisce lunghe linee TPB se la struttura è sufficientemente fine, la connettività delle fasi di nichel e dei pori, nonché le linee TPB possono essere utilizzate per la caratterizzazione SOFC.

Riferimenti

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