基底表面能和厚度对静止盐水液滴蒸发动力学的影响

《Langmuir》：Influence of Substrate Surface Energy and Thickness on the Evaporation Dynamics of Sessile Saline Droplets

NaCl溶液蒸发结晶行为受PDMS基材表面能（γs）和厚度（hf）调控，UV-Ozone处理调节γs后，低γs（弱钉扎）形成中心晶体，高γs（强钉扎）产生咖啡环沉积，并伴随针状结构；厚度差异导致薄膜（617nm）均匀结晶，而较厚薄膜（1.3-3.6μm）促进针状生长。Péclet数（Pe）区分沉积模式（Pe>45为环状，Pe<45为凝聚态），结合形态相图揭示过饱和度（S）与钉扎力（Fpin）的临界阈值（Fpin≈0.0005mN，S>0.1mN）。

　　

本研究探讨了基底表面能（γ_S）和厚度（h_f）如何影响水溶性NaCl液滴在聚二甲基硅氧烷（PDMS）上的蒸发和结晶过程。通过紫外线-臭氧（UVO）处理调节了旋涂薄膜和自支撑块状样品的表面能。研究发现了两种沉积机制：（i）当表面能较低（γ_S）时，由于粘附力（FPin）较弱且成核障碍较大，会形成致密的中心晶体；（ii）当表面能较高（γ_S）时，较强的粘附力和早期结晶作用会导致形成针状结构的咖啡环沉积物，且在更高表面能下这种形态更为明显。长时间UVO处理后，厚度对沉积过程产生了影响：薄膜（h_f ≈ 617 nm）在脱水后形成均匀的晶体沉积物，而较厚的薄膜（h_f ≈ 1.3–3.6 μm）则促进针状晶体的生长。佩克莱数（Pe）用于区分不同的沉积模式，当Pe > 45时形成咖啡环状结构，而Pe < 45时形成致密沉积物。形态相图揭示了过饱和度（S）与粘附力（FPin）之间的相互作用，表明在过饱和度约为0.1 mN时会出现咖啡环结构，而在粘附力约为0.0005 mN时则形成由脱水驱动的沉积图案。研究结果表明，基底的耦合性质对蒸发沉积过程具有决定性影响，为可控涂层和表面图案化提供了理论依据。