Каждый из нас может наблюдать одно интересное явление в домашних условиях. После высыхания пролитых капель кофе, компота или какао на столе остаются пятна в виде колец. Это наблюдение вызывает вопрос: «А с чем связана такая форма осадка?»
Фото: Getty Images
Этот феномен активно изучался учеными в конце 1990-х и в начале 2000-х годов. Да и сейчас на эту тему продолжают появляться публикации. Исследования в этом направлении поначалу носили фундаментальный характер, так как были связаны с объяснением явления, которое получило название «эффект кофейных колец». Дело в том, что вблизи периферии капли жидкость испаряется быстрее, чем в центральной области. Это приводит к возникновению компенсационного потока, переносящего растворенное и взвешенное вещество от центра капли к контактной линии (граница «жидкость—подложка—воздух»).
Кроме того, возможно появление осадков другой формы: однородное пятно, концентрические кольца, фрактальная структура и многие другие. Вид финальной структуры осадка зависит от множества факторов, например от физико-химических свойств подложки, раствора и воздуха. Дальнейшие исследования в этом направлении стали носить прикладной характер. Такие процессы оказались важными для ряда приложений, начиная от струйной печати и заканчивая медицинской диагностикой. Большая группа методов получения структурированных осадков, основанная на естественном процессе высыхания капель и пленок, без какого-либо вмешательства извне, получила название «испарительная самосборка» (evaporation-induced self-assembly). Добавление в систему возможности контролировать этот процесс внешними источниками воздействия позволяет добиться еще большего числа различных форм осадков. Более узкое направление связано с созданием условий для неоднородной концентрации пара вблизи свободной поверхности жидкости. Это относительно новое и перспективное направление получило название «испарительная литография».
Суть метода заключается в управлении потоком жидкости через создание условий неравномерного испарения, что приводит к переносу коллоидных частиц и формированию осадка требуемой пространственной формы. Кроме того, в ряде случаев внешнее воздействие (химическое или тепловое) приводит к спеканию частиц и образованию устойчивых покрытий. Испарительная литография — это метод, основанный, как правило, на одноступенчатом процессе, не требующий сложного и дорогостоящего оборудования, применимый к различным материалам и поверхностям без предварительной обработки.
Методы испарительной литографии можно разделить на активные и пассивные.В пассивных методах значение ключевых параметров задается изначально (размер отверстия в маске, размещаемой над свободной поверхностью жидкости; ширина зазора между жидкостью и маской; начальная концентрация частиц или толщина пленки; шаг между отверстиями маски; геометрические параметры мембраны, через которую фильтруется и испаряется жидкость и так далее). В отличие от пассивных, активные методы характеризуются наличием ключевых параметров, которые можно регулировать в режиме реального времени (мощность светового излучения, скорость потока воздуха или движения подложки и другие). Это позволяет динамически влиять на геометрию формируемой структуры. В отдельную подгруппу можно выделить гибридные методы, которые комбинируют методы испарительной литографии с другими подходами, относящимися или не относящимися к самосборке, вызванной испарением. Это позволяет расширить возможности испарительной литографии, что стимулирует активные исследования в этом направлении.
Фото: K.S. Kolegov
Фото: K.S. Kolegov
Наряду с проведением экспериментальных исследований разрабатываются и совершенствуются математические модели. Теоретические и численные исследования способствуют пониманию протекающих в испарительной литографии физических процессов. Моделирование позволяет выявлять ключевые параметры системы и помогает в определении диапазона значений параметров для эффективного управления формированием структур осадков с требуемыми геометрическими и физико-химическими характеристиками. Такими задачами сейчас активно занимаются сотрудники лаборатории «Математическое моделирование и информационные технологии в науке и образовании» Астраханского государственного университета.
В перспективе результаты исследований в этом направлении позволят в будущем научиться эффективно управлять методом испарительной литографии, получать микро- и наноструктуры нужной формы с большей точностью в размерах и площадью. Большой интерес к испарительной литографии вызван множеством перспективных приложений в различных областях. Упомянем лишь некоторые из них. Создание прозрачных гибких электропроводных пленок и органических транзисторов крайне важно для задач опто- и микроэлектроники. В нанотехнологиях особое внимание уделяют функциональным покрытиям, когда получаемая тонкопленочная структура обладает необходимыми физико-химическими свойствами. Для развития медицины создаются новые миниатюрные приборы, позволяющие выполнять экспресс-диагностику и доставлять лекарственные средства в нужные участки организма.
Разработка математических моделей тепло- и массопереноса, учитывающих множество сложных эффектов, важна для детального изучения процессов, протекающих в испарительной литографии. Предсказательное моделирование позволит проанализировать существующие модификации метода и предложить другие возможные методы, в том числе основанные на комбинировании разных подходов. Новые подходы будут характеризоваться улучшенными свойствами получаемых структур (устойчивость, электропроводность, светопроницаемость, самовосстановление и т. д.) и их геометрическими параметрами.