Retak Berongga Zigzag dari Film Nanopartikel Perak Diatur oleh Lingkungan Mikro Pengeringannya

Hasil dan Diskusi

Efek cincin kopi dan aliran Marangoni yang diinduksi secara skematis dijelaskan pada Gambar 1b. Rasio OA/EA meningkat di daerah pinggiran, karena laju penguapan yang lebih tinggi, serta tegangan permukaan dan titik didih OA yang lebih tinggi (28 dyn/cm, 176 °C) daripada EA (22 dyn/cm, 78 °C). Perbedaan tegangan permukaan menghasilkan aliran Marangoni keluar. Tiga wilayah berbeda (I, II, dan III) muncul setelah 2 siklus penyinaran UV (60 detik/siklus) (Gbr. 1c). Interval setiap siklus digunakan untuk menghilangkan efek termal. Zat terlarut berkumpul di wilayah I karena aliran kompensasi ke luar dan segera memadat karena penguapan yang hebat. Wilayah II dan III adalah suspensi nanopartikel, tetapi yang terakhir lebih jarang. Semakin banyak siklus penyinaran membuat wilayah III berubah dari riak (3 siklus) menjadi retakan (10 siklus), sedangkan wilayah II kasar, dan wilayah I tetap halus (Gbr. 1d, e). Properti adhesi sangat memburuk ketika retakan terbentuk. Gambar 1f secara skematis menjelaskan mekanisme yang mendasarinya. Nanopartikel monodispersi (File tambahan 1:Gambar S1) cenderung dirakit sendiri dan membentuk film permukaan yang kompak karena aliran Marangoni ke luar, gaya pendorong penguapan, dan tegangan permukaan (luas permukaan spesifik yang besar). Ketebalan film menurun dari daerah I ke III, sehingga membuat regangan meningkat di bawah tekanan tekan, dan bahkan riak radial dapat dihasilkan. Lapisan permukaan perifer menekan penguapan cairan di bawahnya, sehingga aliran kompensasi dibalik, menyebabkan penurunan level cairan, dan menginduksi tegangan tekan ke arah chord.

Film yang diproses dengan larutan yang diawetkan dengan iradiasi UV memiliki efek cincin kopi yang lebih lemah karena tingkat penguapannya yang moderat daripada yang diproses secara termal [8]. Ini berkontribusi pada perbedaan pembentukan film permukaan (Gbr. 2a). Efek termal harus dipertimbangkan ketika film basah terus menerus disinari UV selama 5 menit, menghasilkan riak berbentuk zig-zag di area pinggiran (Gbr. 2b). Deformasi dalam arah chord berasal dari peningkatan tegangan tekan radial, yang disebabkan oleh peningkatan aliran permukaan luar dan perbedaan penguapan. Riak berbentuk zigzag yang lebih teratur dapat diamati ketika suhu sedang diterapkan ke substrat (T _s = 60 °C). Waktu sintering (5 hingga 15 menit) kemandirian riak menunjukkan pembentukannya sebelum benar-benar memadat (Gbr. 2c). Lapisan tipis permukaan yang didukung cairan mudah berubah bentuk di bawah tekanan tekan, dan retakan muncul di sepanjang riak (Gbr. 2d). Saat proses pengeringan berlanjut, aliran kompensasi terbalik akan meninggalkan lubang di dalam topografi riak, yang dapat dibuktikan dengan pemindaian area EDS untuk elemen perak.

Retak berlubang zigzag. a Skema perbedaan antara penyinaran UV dan perlakuan termal untuk pembentukan film nanopartikel permukaan. b Riak berbentuk zigzag diperoleh dengan penyinaran UV selama 5 menit. c Riak yang lebih teratur diperoleh pada substrat kaca yang dipanaskan pada 60 °C selama 5 hingga 15 menit. d Pengukuran SEM-EDS

Dampak kritis dari penguapan pada pembentukan retakan telah dibahas di atas. Lingkungan mikro pengeringan mampu mengatur distribusi fluks penguapan, yang dipelajari secara mendalam dalam laporan kami sebelumnya [9, 10], dan oleh karena itu kemungkinan juga berdampak pada pembentukan retakan. Berdasarkan model difusi uap yang disederhanakan dari penguapan pelarut (c _ρ = rc ₀ /ρ ), peta warna konsentrasi uap (c ) dapat ditarik untuk menggambarkan pengaruh lingkungan mikro pengeringan pada penguapan dua tetesan tetangga (Gbr. 3a). Fluks penguapan asimetris dapat dicapai ketika tetesan lain dilepaskan di dekatnya. Jarak batas tetesan yang lebih dekat menekan penguapan dan aliran permukaan [11] (File tambahan 1:Gambar S2), sehingga mengurangi kecenderungan untuk membentuk riak, terutama yang berbentuk zigzag. Aliran permukaan luar meningkatkan tekanan udara antara tetesan, sehingga membuat mereka menyelaraskan diri untuk mencapai jarak pendek hanya puluhan mikron. Bahkan tidak ada riak yang terbentuk di wilayah terdekat, dan kemudian panjang riak bertambah dan akhirnya kembali ke bentuk zig-zag dengan bertambahnya jarak batas tetesan (Gbr. 3b, c). Area daerah pinggiran halus membesar karena lebih banyak waktu untuk reduksi dan agregasi nanopartikel sebelum mereka dirakit sendiri untuk membentuk film tebal di bawah premis penekanan penguapan. Selanjutnya, efek penekanan lebih terlihat untuk tetesan pertama, yang dilepaskan 60 dtk lebih awal dari tetesan kedua. Lapisan permukaan yang terbentuk lebih awal dari tetesan pertama mengurangi efek penguapannya pada lingkungan mikro pengeringan dari tetesan kedua, sedangkan penguapan tetesan kedua akan mempengaruhi seluruh proses pembentukan riak dari tetesan pertama.

Retak berongga zigzag diatur oleh lingkungan mikro yang mengering. a Peta warna lingkungan mikro pengeringan berdasarkan model difusi uap paling sederhana. b Pengaruh lingkungan mikro pengeringan pada dua tetesan selanjutnya dilepaskan dengan jarak pendek. c Riak berubah dari wilayah terdekat ke wilayah yang lebih jauh dari dua tetesan tetangga

Harus ditekankan bahwa pengaturan lingkungan mikro pengeringan tidak hanya bertindak sebagai metode untuk menekan retakan berongga zigzag tetapi juga secara langsung membuktikan hubungan erat antara pembentukan retakan dan penguapan pelarut. Karya ini memiliki signifikansi referensial untuk mengoptimalkan film nanopartikel berkualitas tinggi, terutama untuk tinta prekursor. Saat tetesan masih dilepaskan oleh jarum suntik, retakan dapat dengan mudah dihilangkan dengan meningkatkan laju reduksi kimia di bawah premis bahwa penguapan tidak terlalu terpengaruh (File tambahan 1:Gambar S3). Sebuah film permukaan tipis pada cairan, yang dapat dengan mudah berubah bentuk, dapat terbentuk di bawah aksi penguapan, ketika nanopartikel tereduksi sedikit. Oleh karena itu, reduksi kimia yang dipercepat akan membuat konsentrasi zat terlarut cukup tinggi untuk membentuk film nanopartikel permukaan rakitan yang tebal dan kemudian menghindari pembentukan retakan. Cara efektif lain untuk mengatasi retakan dapat dicapai dengan mengurangi ukuran tetesan (File tambahan 1:Gambar S4). Pencetakan inkjet adalah teknik potensial untuk menyimpan film basah yang terdiri dari tetesan kecil (diameter ~ 50 μm). Film yang dicetak dengan inkjet menggunakan sistem tinta yang sama dapat dipadatkan tanpa riak dan retak, bahkan diawetkan pada suhu tinggi 100 °C selama 30 menit, memanfaatkan [1] proses pemadatan yang lebih cepat, [2] tingkat penguapan lokal yang lebih lemah , [3] semakin lemah aliran fluida, [4] semakin tinggi konsentrasi zat terlarut lokal, dan [5] perubahan lingkungan mikro pengeringan setiap tetesan.