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Instabilities in Drying Colloidal Films: Role of Surface Charge and Substrate Wettability

Este estudio demuestra experimentalmente que la interacción entre la carga superficial de las nanopartículas de sílice y la humectabilidad del sustrato gobierna críticamente la dinámica de evaporación, la morfología de las grietas y el comportamiento de delaminación de las películas coloidales en secado, revelando patrones distintos para partículas con carga negativa frente a las de carga positiva a través de diversas concentraciones y tipos de superficie.

Autores originales: A. Madhav Sai Kumar, A. Hari Govindha, Ranajit Mondal, Kirti Chandra Sahu

Publicado 2026-01-27

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CC BY 4.0

Autores originales: A. Madhav Sai Kumar, A. Hari Govindha, Ranajit Mondal, Kirti Chandra Sahu

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que tienes una gota de agua lodosa sobre una mesa. A medida que el agua se evapora, el lodo no se seca simplemente en un círculo plano y perfecto. En cambio, a menudo se curva, se agrieta como el lecho de un río seco o se desprende de la mesa por completo. Este artículo es una inmersión profunda en por qué sucede eso, analizando específicamente dos fuerzas "ocultas": la carga eléctrica de las diminutas partículas en el lodo y qué tan "pegajosa" o "resbaladiza" es la superficie de la mesa.

Aquí está la historia de sus hallazgos, desglosada en conceptos simples.

El Elenco de Personajes

Los investigadores utilizaron dos tipos de partículas de sílice (similares a la arena) suspendidas en agua:

Las "Negativas" (Ludox TM50): Estas partículas tienen una carga eléctrica negativa. Piensa en ellas como imanes que repelen a otros negativos.
Las "Positivas" (Ludox CL30): Estas partículas tienen una carga positiva. Son atraídas por las negativas.

Dejaron caer estas mezclas sobre tres tipos de "mesas" (sustratos):

Vidrio: Muy mojable (el agua se extiende fácilmente). Tiene una carga negativa.
Poliestireno: Algo mojable.
PTFE (Teflón): Muy hidrofóbico (el agua se agrupa en gotas). No es pegajoso.

El Evento Principal: Cómo se Seca la Gota

Cuando una gota se seca, el agua en los bordes se evapora más rápido que en el centro. Esto crea una corriente que empuja las partículas hacia el borde, como una multitud corriendo hacia la salida. Esto suele crear un "anillo de café" (un anillo de suciedad alrededor del borde).

Sin embargo, los investigadores descubrieron que lo que sucede después depende enteramente de la química de las partículas y de la mesa:

1. El "Atasco de Tráfico" vs. El "Libre para Todos"

En Vidrio con Partículas Negativas (TM50): Dado que tanto las partículas como el vidrio tienen carga negativa, se repelen entre sí. Es como intentar estacionar autos en un lote donde cada auto tiene un imán en su parachoque mirando hacia el suelo: no se pegan bien.
- Resultado: Las partículas forman grietas radiales muy ordenadas y nítidas (como los radios de una rueda). Debido a que no se adhieren fuertmente al vidrio, una vez que la película se vuelve lo suficientemente gruesa, toda la estructura se desprende (se delamina) en grandes tiras curvas, como una calcomanía siendo arrancada de una pared.
En Vidrio con Partículas Positivas (CL30): Aquí, las partículas positivas son atraídas por el vidrio negativo. Es como el velcro; se pegan con fuerza.
- Resultado: Debido a que están pegadas tan firmemente, no pueden moverse libremente para organizarse. En lugar de radios ordenados, forman grietas desordenadas y aleatorias. También no se desprenden tan fácilmente porque el "velcro" las mantiene sujetas.

2. La "Mesa" Importa

Vidrio (Mojable): La gota se extiende amplia y delgada. Cuando se seca, la película es grande y delgada, lo que la hace propensa a desprenderse si las partículas se repelen (como en el caso del TM50).
PTFE (Resbaladizo): La gota se mantiene como una bola apretada. El secado ocurre de manera diferente, llevando a menudo a una forma de "dona" o simplemente a algunas grietas grandes, en lugar de una red completa de grietas pequeñas.

Las Reglas de las "Grietas"

Los investigadores descubrieron patrones interesantes en cómo se comportan las grietas:

Más Lodo, Grietas Más Grandes: Si usas una gota de lodo más densa o espesa, las grietas que se forman son más anchas y largas. Es como secar una capa gruesa de lodo; la tensión se acumula más, por lo que cuando finalmente se rompe, la ruptura es mayor.
El Tiempo: Con gotas delgadas, las grietas solo aparecen al final. Con gotas espesas, las grietas comienzan temprano y avanzan hacia el centro.
El Punto de Desprendimiento: La película solo se desprende (se delamina) si alcanza el grosor suficiente para generar suficiente tensión interna como para vencer el pegamento que la sujeta a la mesa. En el vidrio resbaladizo, esto sucede fácilmente con gotas espesas. En el poliestireno "pegajoso", la película es más gruesa en un área más pequeña, por lo que se desprende incluso con gotas más delgadas.

El "Porqué" (El Mecanismo)

Los autores proponen una historia mecánica simple:

El Tirón: A medida que el agua se va, las partículas se comprimen, creando una fuerza de tracción (tensión) que intenta encoger la película.
El Anclaje: La base de la película está pegada a la mesa.
El Chasquido: Si la fuerza de tracción se vuelve más fuerte que el "pegamento" (adhesión) que sujeta la película a la mesa, la película se rompe.
- Si las partículas repelen la mesa (Negativo sobre Negativo), el pegamento es débil. La película se rompe limpiamente y se desprende en tiras organizadas.
- Si las partículas se pegan a la mesa (Positivo sobre Negativo), el pegamento es fuerte. La película no puede desprenderse fácilmente, por lo que simplemente se fragmenta en un montón desordenado de grietas.

La Conclusión

Este artículo demuestra que no puedes simplemente mirar una gota secándose y adivinar qué pasará. Tienes que conocer la personalidad de las partículas (¿les gusta o odia la superficie?) y la naturaleza de la superficie (¿es pegajosa o resbaladiza?).

Partículas que repelen en una superficie mojable = Grietas ordenadas y grandes láminas que se desprenden.
Partículas que atraen en una superficie mojable = Grietas desordenadas y sin desprendimiento.
Gotas más gruesas = Grietas más grandes y tempranas, y más desprendimiento.

Es un recordatorio de que incluso en algo tan simple como una gota de agua secándose, las fuerzas eléctricas invisibles y las texturas de la superficie están coreografiando una compleja danza de grietas y curvaturas.

Resumen Técnico: Inestabilidades en Películas Coloidales durante el Secado: El Papel de la Carga Superficial y la Humectabilidad del Sustrato

Planteamiento del Problema
El secado de suspensiones coloidales es un proceso crítico en aplicaciones que van desde pinturas y recubrimientos hasta microelectrónica y litografía. Sin embargo, este proceso a menudo conduce a patrones de deposición complejos acompañados de inestabilidades mecánicas como grietas, pandeo y delaminación. Si bien estudios previos han investigado extensamente factores individuales —como las propiedades del sustrato, el tamaño y la forma de las partículas, y las condiciones ambientales—, existe la necesidad de comprender la influencia acoplada de la carga superficial de la partícula y la humectabilidad del sustrato. Específicamente, la interacción entre las interacciones electrostáticas (partícula–sustrato y partícula–partícula) y las fuerzas capilares durante la evaporación de gotas sedentarias sigue siendo un área clave que requiere una exploración sistemática para explicar la morfología de deposición y los patrones de grietas resultantes.

Metodología
El estudio emplea un enfoque experimental para investigar la dinámica de evaporación y la deposición final de suspensiones de nanopartículas de sílice.

Materiales: Se utilizaron dos tipos de nanopartículas de sílice coloidal: Ludox TM50 con carga negativa (diámetro de 25 nm, $\zeta = -33$ mV) y Ludox CL30 con carga positiva (diámetro de 12 nm, $\zeta = +44$ mV). Las suspensiones se prepararon en concentraciones que oscilaron entre el 0.1 % en peso y el 5.0 % en peso.
Sustratos: Los experimentos se llevaron a la cabo en tres sustratos con distintas humectabilidades: vidrio hidrofílico ( $\theta \approx 22^\circ$ ), poliestireno ( $\theta \approx 77^\circ$ ) y politetrafluoroetileno (PTFE) hidrofóbico ( $\theta \approx 102^\circ$ ).
Configuración Experimental: Se depositaron gotas sedentarias de 2 $\mu$ L y se secaron bajo condiciones ambientales controladas ( $24.0 \pm 1.0^\circ$ C, $58 \pm 10\%$ de humedad relativa).
Imagen y Análisis: Se utilizó un sistema de imagen de doble vista. La sombragrafía de vista lateral con una cámara CMOS capturó la evolución temporal de la altura de la gota, el diámetro de contacto y el ángulo de contacto. La microscopía digital de vista superior (magnificación de 50 $\times$ ) registró los patrones de deposición finales.
Procesamiento de Datos: Se emplearon resolvedores personalizados basados en Matlab e ImageJ para extraer los perfiles de las gotas, cuantificar el espaciamiento de las grietas ( $\lambda$ ) y la longitud ( $l$ ), y medir la extensión de la delaminación ( $\delta$ ) mediante el seguimiento de la altura de deflexión de las tiras de la película.

Resultos Clave

Dinámica de Evaporación: El modo de evaporación está dictado principalmente por la humectabilidad del sustrato más que por la carga de la partícula.
- Vidrio: Las gotas siguen predominantemente un modo de Radio de Contacto Constante (CCR), donde la línea de contacto permanece anclada hasta etapas tardías del proceso de secado.
- PTFE: Las gotas exhiben un modo prolongado de Ángulo de Contacto Constante (CCA), con la línea de contacto retrocediendo tempranamente.
- Poliestireno: Se observa un modo mixto, que transiciona de CCR a una línea de contacto en retroceso.
- La carga de la partícula tuvo un efecto insignificante en la cinética de evaporación general, pero influyó ligeramente en la duración del anclaje de la línea de contacto debido a las interacciones electrostáticas.
Morfología de Deposición y Agrietamiento:
- Ludox TM50 (Carga Negativa): Sobre vidrio y poliestireno, estas gotas forman depósitos clásicos de "anillo de café" con grietas radiales. A medida que la concentración aumenta ( $\ge 3.0$ % en peso), las grietas se propagan hacia adentro, hacia el centro. En PTFE, los depósitos son más uniformes con menos grietas prominentes individuales.
- Ludox CL30 (Carga Positiva): Estas gotas exhiben grietas irregulares y orientadas aleatoriamente, a menudo con conexiones transversales perpendiculares a las grietas radiales. Esto se atribuye a las interacciones electrostáticas atractivas entre las partículas cargadas positivamente y el sustrato de vidrio cargado negativamente, lo que conduce a un asentamiento desigual de las partículas.
- Relaciones de Ley de Potencia: Para TM50 en vidrio, tanto el espaciamiento de las grietas ( $\lambda$ ) como la longitud de las grietas ( $l$ ) siguen relaciones de ley de potencia con la concentración de partículas ( $\lambda \propto \phi^{0.63}$ y $l \propto \phi^{0.4}$ ). Concentraciones más altas resultan en grietas más anchas y largas.
Comportamiento de Delaminación:
- La delaminación está fuertemente influenciada por la concentración de partículas y la humectabilidad del sustrato.
- Sustratos de Vidrio: La delaminación ocurre solo en concentraciones más altas ( $\ge 3.0$ % en peso) debido a la formación de películas lateralmente extendidas y más gruesas que generan un estrés de tracción en el plano significativo.
- Sustratos de Poliestireno: A pesar de una menor dispersión inicial, la delaminación se observa en concentraciones más bajas ( $\ge 1.0$ % en peso). Esto se atribuye a la formación de un depósito local más grueso a la misma concentración en comparación con el vidrio, creando un momento de flexión mayor.
- Sustratos de PTFE: La delaminación se ve suprimida debido a la reducción en la dispersión y al menor aumento de estrés.
- La extensión de la delaminación ( $\delta_{avg}$ ) aumenta con la concentración de partículas y es más pronunciada en el vidrio que en el poliestireno.

Significancia y Marco Mecanístico
El artículo propone un marco mecánico para explicar las inestabilidades observadas, enfatizando la competencia entre las fuerzas capilares, las interacciones interfaciales y las fuerzas partícula–sustrato.

Iniciación de Grietas: A medida que el solvente se evapora, las partículas se consolidan y la película se contrae. Se desarrolla un estrés de tracción desequilibrado porque la parte superior del depósito se contrae más rápido que la región adherida al sustrato.
Papel de la Carga: Aunque la cinética de evaporación es mayormente independiente de la carga, la naturaleza de las grietas depende de la carga.
- Interacciones Repulsivas (TM50 en Vidrio): Los sistemas con cargas similares (partícula negativa/sustrato negativo) promueven la repulsión, lo que conduce a grietas radiales bien ordenadas y a una delaminación completa eventual cuando la fuerza capilar supera la fuerza de fricción.
- Interacciones Atractivas (CL30 en Vidrio): Los sistemas de cargas opuestas promueven una fuerte adhesión y limitaciones en la movilidad de las partículas, resultando en grietas desordenadas e irregulares y una supresión de la delaminación.
Umbral de Delaminación: La delaminación ocurre cuando la energía de deformación elástica almacenada en la película en secado excede la energía de adhesión película–sustrato. El estudio demuestra que este umbral es modulado por la dispersión inicial (determinada por la humectabilidad) y el espesor de la película resultante.

Conclusión
Este estudio elucida sistemáticamente la influencia acoplada de la carga superficial de la partícula y la humectabilidad del sustrato en el secado de películas coloidales. Los hallazgos revelan que, mientras la humectabilidad del sustrato gobierna el modo de evaporación macroscópico y la dispersión del depósito, la carga de la partícula dicta el ordenamiento microscópico de las grietas y la propensión a la delaminación. Los resultados proporcionan una base cuantitativa para predecir el espaciamiento de las grietas y la extensión de la delaminación basándose en la concentración y el tipo de sustrato, ofreciendo perspectivas para controlar los patrones de deposición en el procesamiento coloidal.