皮升级银纳米粒子墨水滴中咖啡环效应的抑制机制：对印刷电子技术的启示

《Journal of Colloid and Interface Science》：Mechanisms of coffee-ring suppression in Picoliter silver nanoparticle ink droplets: Implications for printed electronics

咖啡环效应抑制与基底温度调控研究：通过实验分析发现，银纳米颗粒印墨在20-40℃低温下因蒸发速率减缓，扩散机制主导粒子均匀分布，显著抑制边缘沉积；40-70℃时毛细流动增强，边缘富集明显；高温段Marangoni效应引发中心富集。实验验证了粘度与热力学参数的调控效果，建立了温度-沉积形态的定量关系，为高分辨率印刷电子提供了实用温控策略。

　　
该研究针对印刷电子中银纳米粒子（AgNPs）印墨在微滴尺度（picoliter）的咖啡环效应（CRE）问题，提出通过精确调控基底温度实现高效抑制。实验采用商用AgNPs墨水（Sicrys? I30G-1），结合温度可控的聚乙炔酸酯薄膜（PEN）基底，通过 piezoelectric 喷墨打印设备在20-120℃范围内系统考察沉积形态演变规律。研究揭示温度调控的三种典型沉积模式：低温区（20-40℃）扩散主导形成均匀球形帽沉积；中温区（50-70℃）对流主导产生显著环状堆积；高温区（>90℃）Marangoni效应增强导致中心富集与边缘不均匀并存。通过流场数值模拟和沉积形貌的AFM表征，证实扩散与对流机制的竞争主导了粒子输运路径。特别发现：当基底温度低于40℃时，蒸发时间延长至秒级量级，使Péclet数（对流与扩散比率）降至0.05以下，有效促进粒子通过布朗扩散和溶质扩散实现均匀分布。该温度调控策略避免了传统方法中复杂的配方调整或外部场干预，为高分辨率印刷电子制造提供了可直接应用的技术路径，特别是在柔性基底（如PEN薄膜）上的应用展现出显著优势。研究同时排除了表面张力梯度（Marangoni效应）和黏滞耗散作为主要抑制机制，明确了扩散主导的动力学本质，为后续开发多组分纳米墨水及复合调控策略奠定了理论基础。