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

यह अध्ययन प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित करता है कि सिलिका नैनोकणों के सतह आवेश और सबस्ट्रेट की गीलापन (wettability) के बीच की परस्पर क्रिया, सुखाने वाले कोलाइडल फिल्मों की वाष्पीकरण गतिशीलता, दरार आकृति विज्ञान और विलगन व्यवहार (delamination behavior) को महत्वपूर्ण रूप से नियंत्रित करती है, जो विभिन्न सांद्रता और सतह प्रकारों में ऋणात्मक बनाम धनात्मक आवेशित कणों के लिए विशिष्ट पैटर्न को प्रकट करती है।

मूल लेखक: A. Madhav Sai Kumar, A. Hari Govindha, Ranajit Mondal, Kirti Chandra Sahu

प्रकाशित 2026-01-27

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CC BY 4.0

मूल लेखक: A. Madhav Sai Kumar, A. Hari Govindha, Ranajit Mondal, Kirti Chandra Sahu

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आपके पास एक मेज पर रखे कीचड़ वाले पानी की एक बूंद है। जैसे-जैसे पानी वाष्पित होता है, कीचड़ केवल एक सपाट, आदर्श घेरा बनकर नहीं सूखता। इसके बजाय, यह अक्सर ऊपर की ओर मुड़ जाता है, सूखे नदी तल की तरह फट जाता है, या पूरी तरह से मेज से छिलकर अलग हो जाता है। यह शोध पत्र इस बात की गहराई से जांच करता है कि ऐसा क्यों होता है, विशेष रूप से दो "छिपे हुए" बलों पर ध्यान केंद्रित करते हुए: कीचड़ में मौजूद सूक्ष्म कणों का विद्युत आवेश (electrical charge) और मेज की सतह कितनी "चिपचिपी" या "फिसलन भरी" है।

यहाँ उनके निष्कर्षों की कहानी दी गई है, जिसे सरल अवधारणाओं में विभाजित किया गया है।

पात्रों का परिचय

शोधकर्ताओं ने पानी में निलंबित दो प्रकार के सूक्ष्म सिलिका (रेत जैसे) कणों का उपयोग किया:

"नेगेटिव्स" (Ludox TM50): इन कणों में नकारात्मक विद्युत आवेश होता है। इन्हें ऐसे चुंबकों के रूप में सोचें जो अन्य नेगेटिव्स को प्रतिकर्षित (repel) करते हैं।
"पॉजिटिव्स" (Ludox CL30): इन कणों में धनात्मक आवेश होता है। ये नेगेटिव्स के प्रति आकर्षित होते हैं।

उन्होंने इन मिश्रणों को तीन अलग-अलग "मेज" (सबस्ट्रेट्स) पर डाला:

कांच (Glass): बहुत अधिक गीला होने योग्य (पानी आसानी से फैलता है)। इसमें नकारात्मक आवेश होता है।
पॉलीस्टाइन (Polystyrene): कुछ हद तक गीला होने योग्य।
PTFE (टेफ्लॉन): बहुत अधिक हाइड्रोफोबिक (पानी की बूंदें ऊपर की ओर उठती हैं)। यह गैर-चिपचिपा है।

मुख्य घटना: बूंद कैसे सूखती है

जब एक बूंद सूखती है, तो बीच के हिस्से की तुलना में किनारों पर पानी तेजी से वाष्पित होता है। इससे एक धारा (current) बनती है जो कणों को किनारे की ओर धकेलती है, जैसे भीड़ निकास की ओर भाग रही हो। यह आमतौर पर एक "कॉफी रिंग" (किनारे पर गंदगी का घेरा) बनाता है।

हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि आगे क्या होगा यह पूरी तरह से कणों की केमिस्ट्री और मेज पर निर्भर करता है:

1. "ट्रैफिक जाम" बनाम "मुक्त प्रवाह"

नेगेटिव कणों (TM50) के साथ कांच पर: चूंकि दोनों कण और कांच नकारात्मक रूप से आवेशित हैं, वे एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं। यह वैसा ही है जैसे किसी पार्किंग लॉट में कारें पार्क करने की कोशिश करना जहाँ हर कार के बंपर पर जमीन की ओर मुख वाला एक चुंबक लगा हो—वे अच्छी तरह से चिपकते नहीं हैं।
- परिणाम: कण बहुत ही व्यवस्थित रेडियल दरारें (जैसे पहिये की तीलियाँ) बनाते हैं। क्योंकि वे कांच से मजबूती से नहीं चिपकते हैं, इसलिए एक बार जब फिल्म पर्याप्त मोटी हो जाती है, तो पूरा हिस्सा बड़े, मुड़े हुए स्ट्रिप्स में छिलकर अलग हो जाता है (delaminates), जैसे दीवार से कोई स्टिकर खींचा जा रहा हो।
पॉजिटिव कणों (CL30) के साथ कांच पर: यहाँ, पॉजिटिव कण नेगेटिव कांच की ओर आकर्षित होते हैं। यह वेल्क्रो (velcro) की तरह है; वे मजबूती से चिपक जाते हैं।
- परिणाम: क्योंकि वे मजबूती से चिपके हुए हैं, वे व्यवस्थित होने के लिए स्वतंत्र रूप से हिल नहीं सकते। व्यवस्थित तीलियों के बजाय, वे अव्यवस्थित, यादृच्छिक (random) दरारें बनाते हैं। वे आसानी से छिलकर अलग भी नहीं होते क्योंकि "वेल्क्रो" उन्हें नीचे थामे रखता है।

2. "मेज" मायने रखती है

कांच (गीला होने योग्य): बूंद चौड़ाई में फैल जाती है और पतली हो जाती है। जब यह सूखती है, तो फिल्म बड़ी और पतली होती है, जिससे इसके छिलने की संभावना बढ़ जाती है (जैसे TM50 के मामले में)।
PTFE (फिसलन भरा): बूंद एक सघन गोले के रूप में रहती है। सूखने की प्रक्रिया अलग होती है, जो अक्सर एक "डोनट" आकार या केवल कुछ बड़ी दरारों की ओर ले जाती है, न कि छोटी दरारों के पूरे नेटवर्क की ओर।

"दरार" के नियम

शोधकर्ताओं ने खोजा कि दरारें कैसे व्यवहार करती हैं:

अधिक कीचड़, बड़ी दरारें: यदि आप अधिक गाढ़ा, घना कीचड़ वाला मिश्रण उपयोग करते हैं, तो बनने वाली दरारें अधिक चौड़ी और लंबी होती हैं। यह कीचड़ की एक मोटी परत सुखाने जैसा है; तनाव अधिक बनता है, इसलिए जब यह अंततः टूटता है, तो टूट (break) बड़ा होता है।
समय (Timing): पतली बूंदों के साथ, दरारें बिल्कुल अंत में दिखाई देती हैं। गाढ़ी बूंदों के साथ, दरारें जल्दी शुरू होती हैं और केंद्र की ओर दौड़ती हैं।
छिलने का बिंदु (The Peeling Point): फिल्म तभी छिलती है (delaminates) यदि वह इतनी मोटी हो जाए कि मेज से चिपके रहने वाले "गोंद" (adhesion) को पार करने के लिए पर्याप्त आंतरिक तनाव उत्पन्न कर सके। फिसलन भरे कांच पर, यह गाढ़ी बूंदों के साथ आसानी से होता है। "चिपचिपे" पॉलीस्टाइन पर, फिल्म एक छोटे क्षेत्र में अधिक मोटी होती है, इसलिए यह पतली बूंदों के साथ भी छिल जाती है।

"क्यों" (तंत्र/Mechanism)

लेखक एक सरल यांत्रिक कहानी प्रस्तावित करते हैं:

खिंचाव (The Pull): जैसे-जैसे पानी निकलता है, कण आपस में दबने लगते हैं, जिससे एक खींचने वाला बल (तनाव) पैदा होता है जो फिल्म को सिकोड़ने की कोशिश करता है।
लंगर (The Anchor): फिल्म का निचला हिस्सा मेज से चिपका हुआ है।
चटकना (The Snap): यदि खींचने वाला बल मेज से फिल्म को जोड़ने वाले "गोंद" (adhesion) से अधिक शक्तिशाली हो जाता है, तो फिल्म चटक जाती है।
- यदि कण प्रतिकर्षित करते हैं (नेगेटिव पर नेगेटिव), तो गोंद कमजोर होता है। फिल्म साफ तरीके से टूटती है और व्यवस्थित स्ट्रिप्स में छिल जाती है।
- यदि कण आकर्षित करते हैं (पॉजिटिव पर नेगेटिव), तो गोंद मजबूत होता है। फिल्म आसानी से छिल नहीं पाती, इसलिए यह बस दरारों के एक अव्यवस्थित ढेर में टूट जाती है।

निचोड़ (The Bottom Line)

यह शोध पत्र दिखाता है कि आप केवल सूखती हुई बूंद को देखकर यह अनुमान नहीं लगा सकते कि क्या होगा। आपको कणों का व्यक्तित्व (क्या वे सतह को पसंद करते हैं या नापसंद?) और सतह की प्रकृति (क्या वह चिपचिपी है या फिसलन भरी?) जानना होगा।

प्रतिकर्षित करने वाले कण गीली सतह पर = व्यवस्थित दरारें और बड़े छिलने वाले पन्ने।
आकर्षित करने वाले कण गीली सतह पर = अव्यवस्थित दरारें और कोई छीलना नहीं।
गाढ़ी बूंदें = बड़ी, जल्दी आने वाली दरारें और अधिक छीलना।

यह एक याद दिलाता है कि पानी की एक सूखती बूंद जैसी सरल चीज़ में भी, अदृश्य विद्युत बल और सतह की बनावट दरार पड़ने और मुड़ने के एक जटिल नृत्य को संचालित कर रहे होते हैं।

तकनीकी सारांश: सुखाने वाली कोलाइडल फिल्मों में अस्थिरता: सतह आवेश और सब्सट्रेट गीलापन (Wettability) की भूमिका

समस्या विवरण
कोलाइडल सस्पेंशन का सूखना पेंट और कोटिंग से लेकर माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स और लिथोग्राफी तक के अनुप्रयोगों में एक महत्वपूर्ण प्रक्रिया है। हालाँकि, यह प्रक्रिया अक्सर जटिल निक्षेपण पैटर्न (deposition patterns) के साथ आती है जिसमें यांत्रिक अस्थिरता जैसे कि दरारें (cracking), बकलिंग (buckling) और विलगन (delamination) शामिल हैं। जबकि पिछले अध्ययनों ने व्यक्तिगत कारकों—जैसे कि सब्सट्रेट के गुण, कणों का आकार, आकृति और पर्यावरणीय स्थितियों—का व्यापक रूप से अन्वेषण किया है, कण के सतह आवेश (surface charge) और सब्सट्रेट गीलेपन (wettability) के संयुक्त प्रभाव को समझने की आवश्यकता है। विशेष रूप से, सेसाइल ड्रॉपलेट्स (sessile droplets) के वाष्पीकरण के दौरान इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन (कण-सब्सट्रेट और कण-कण) और कैपिलरी बलों (capillary forces) के बीच परस्पर क्रिया, परिणामी निक्षेपण आकारिकी (deposition morphology) और दरार पैटर्न को समझाने के लिए एक व्यवस्थित अन्वेषण का प्रमुख क्षेत्र है।

कार्यप्रणाली (Methodology)
यह अध्ययन सिलिका नैनोकणों के सस्पेंशन के वाष्पीकरण गतिकी और अंतिम निक्षेपण की जांच करने के लिए एक प्रयोगात्मक दृष्टिकोण अपनाता है।

सामग्री: दो प्रकार के कोलाइडल सिलिका नैनोकणों का उपयोग किया गया था: ऋणात्मक रूप से आवेशित Ludox TM50 (व्यास 25 nm, $\zeta = -33$ mV) और धनात्मक रूप से आवेशित Ludox CL30 (व्यास 12 nm, $\zeta = +44$ mV)। सस्पेंशन 0.1 wt.% से 5.0 wt.% सांद्रता की सीमा में तैयार किए गए थे।
सब्सट्रेट: प्रयोग तीन अलग-अलग गीलेपन वाले सब्सट्रेट पर किए गए: हाइड्रोफिलिक ग्लास ( $\theta \approx 22^\circ$ ), पॉलिस्टायरीन ( $\theta \approx 77^\circ$ ), और हाइड्रोफोबिक पॉलीटेट्राफ्लुओरोएथिलीन (PTFE) ( $\theta \approx 102^\circ$ )।
प्रयोगात्मक सेटअप: नियंत्रित परिवेशी स्थितियों ( $24.0 \pm 1.0^\circ$ C, $58 \pm 10\%$ सापेक्ष आर्द्रता) के तहत 2 $\mu$ L सेसाइल ड्रॉपलेट्स जमा किए गए और सुखाए गए।
इमेजिंग और विश्लेषण: एक ड्यूल-व्यू इमेजिंग सिस्टम का उपयोग किया गया। साइड-व्यू शैडोग्राफी (shadowgraphy) ने CMOS कैमरा का उपयोग करके ड्रॉपलेट की ऊंचाई, संपर्क व्यास और संपर्क कोण के अस्थायी विकास को कैप्चर किया। टॉप-व्यू डिजिटल माइक्रोस्कोपी (50 $\times$ आवर्धन) ने अंतिम निक्षेपण पैटर्न को रिकॉर्ड किया।
डेटा प्रोसेसिंग: ड्रॉपलेट प्रोफाइल निकालने, दरार अंतराल ( $\lambda$ ) और लंबाई ( $l$ ) को मापने, और फिल्म स्ट्रिप्स के विक्षेपण ऊंचाई को ट्रैक करके विलगन (delamination) की सीमा ( $\delta$ ) को मापने के लिए कस्टम Matlab-आधारित सॉल्वर और ImageJ का उपयोग किया गया।

मुख्य परिणाम

वाष्पीकरण गतिकी: वाष्पीकरण मोड मुख्य रूप से कण आवेश के बजाय सब्सट्रेट गीलेपन द्वारा निर्धारित होता है।
- ग्लास: ड्रॉपलेट्स मुख्य रूप से 'कांस्टेंट कॉन्टैक्ट रेडियस' (CCR) मोड का पालन करते हैं, जहाँ सुखाने की प्रक्रिया के अंत तक संपर्क रेखा (contact line) स्थिर रहती है।
- PTFE: ड्रॉपलेट्स एक लंबे समय तक चलने वाले 'कांस्टेंट कॉन्टैक्ट एंगल' (CCA) मोड को प्रदर्शित करते हैं, जिसमें संपर्क रेखा जल्दी पीछे हट जाती है।
- पॉलिस्टायरीन: एक मिश्रित मोड देखा जाता है, जो CCR से पीछे हटती संपर्क रेखा में परिवर्तित होता है।
- कण आवेश का समग्र वाष्पीकरण गतिकी पर नगण्य प्रभाव पड़ा, लेकिन इसने इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन के कारण संपर्क रेखा के स्थिरीकरण की अवधि को थोड़ा प्रभावित किया।
निक्षेपण आकारिकी और दरारें (Deposition Morphology and Cracking):
- Ludox TM50 (ऋणात्मक रूप से आवेशित): ग्लास और पॉलिस्टायरीन पर, ये ड्रॉपलेट्स क्लासिक "कॉफी-रिंग" निक्षेप बनाते हैं जिनमें रेडियल दरारें होती हैं। जैसे-जैसे सांद्रता बढ़ती है ( $\ge 3.0$ wt.%), दरारें केंद्र की ओर बढ़ती हैं। PTFE पर, निक्षेप अधिक समान होते हैं जिनमें कम, एकल प्रमुख दरारें होती हैं।
- Ludox CL30 (धनात्मक रूप से आवेशित): ये ड्रॉपलेट्स अनियमित, यादृच्छिक रूप से उन्मुख दरारें प्रदर्शित करते हैं, जो अक्सर रेडियल दरारों के लंबवत ट्रांसवर्स कनेक्शन के साथ होती हैं। यह धनात्मक रूप से आवेशित कणों और ऋणात्मक रूप से आवेशित ग्लास सब्सट्रेट के बीच आकर्षक इलेक्ट्रोस्टैटिक इंटरैक्शन के कारण होता है, जिससे असमान कण जमाव होता है।
- पावर-लॉ संबंध: ग्लास पर TM50 के लिए, दोनों दरार अंतराल ( $\lambda$ ) और दरार लंबाई ( $l$ ) सांद्रता के साथ पावर-लॉ संबंध का पालन करते हैं ( $\lambda \propto \phi^{0.63}$ और $l \propto \phi^{0.4}$ )। उच्च सांद्रता के परिणामस्वरूप चौड़ी और लंबी दरारें बनती हैं।
विलगन व्यवहार (Delamination Behavior):
- विलगन (delamination) कण सांद्रता और सब्सट्रेट गीलेपन से दृढ़ता से प्रभावित होता है।
- ग्लास सब्सट्रेट: विलगन केवल उच्च सांद्रता ( $\ge 3.0$ wt.%) पर होता है क्योंकि इससे मोटी, पार्श्व रूप से फैली हुई फिल्में बनती हैं जो महत्वपूर्ण इन-प्लेन तन्यता तनाव (in-plane tensile stress) उत्पन्न करती हैं।
- पॉलिस्टायरीन सब्सट्रेट: कम प्रारंभिक फैलाव के बावजूद, कम सांद्रता ( $\ge 1.0$ wt.%) पर भी विलगन देखा जाता है। यह ग्लास की तुलना में समान सांद्रता पर अधिक मोटे स्थानीय निक्षेप के निर्माण के कारण होता है, जो एक बड़ा बेंडिंग मोमेंट (bending moment) बनाता है।
- PTFE सब्सट्रेट: कम फैलाव और कम तनाव संचय के कारण विलगन दब जाता है।
- विलगन की सीमा ( $\delta_{avg}$ ) कण सांद्रता के साथ बढ़ती है और ग्लास पर पॉलिस्टायरीन की तुलना में अधिक स्पष्ट होती है।

महत्व और यांत्रिक ढांचा (Significance and Mechanistic Framework)
यह शोध कैपिलरी बलों, इंटरफेशियल इंटरैक्शन और कण-सब्सट्रेट बलों के बीच प्रतिस्पर्धा पर जोर देते हुए देखी गई अस्थिरताओं को समझाने के लिए एक यांत्रिक ढांचे का प्रस्ताव करता है।

दरार की शुरुआत: जैसे-जैसे विलायक वाष्पित होता है, कण संघनित होते हैं और फिल्म सिकुड़ती है। असंतुलित तन्यता तनाव विकसित होता है क्योंकि जमाव का ऊपरी भाग सब्सट्रेट से चिपके हुए क्षेत्र की तुलना में तेजी से सिकुड़ता है।
आवेश की भूमिका: जबकि वाष्पीकरण गतिकी आवेश से स्वतंत्र है, दरारों की प्रकृति आवेश-निर्भर है।
- प्रतिकर्षण इंटरैक्शन (ग्लास पर TM50): समान-आवेशित प्रणालियाँ (ऋणात्मक कण/ऋणात्मक सब्सट्रेट) प्रतिकर्षण को बढ़ावा देती हैं, जिससे सुव्यवस्थित रेडियल दरारें और अंततः पूर्ण विलगन होता है जब कैपिलरी बल घर्षण बल से अधिक हो जाता है।
- आकर्षण इंटरैक्शन (ग्लास पर CL30): विपरीत-आवेशित प्रणालियाँ मजबूत आसंजन और कण गतिशीलता की सीमाओं को बढ़ावा देती हैं, जिसके परिणामस्वरूप अव्यवस्थित, अनियमित दरारें और विलगन का दमन होता है।
विलगन दहलीज (Delamination Threshold): विलगन तब होता है जब सूख रही फिल्म में संचित लोचदार स्ट्र्रेन ऊर्जा (elastic strain energy), फिल्म-सब्सट्रेट आसंजन ऊर्जा से अधिक हो जाती है। अध्ययन दर्शाता है कि यह दहलीज प्रारंभिक फैलाव (गीलेपन द्वारा निर्धारित) और परिणामी फिल्म मोटाई द्वारा नियंत्रित होती है।

निष्कर्ष
यह अध्ययन कोलाइडल फिल्मों के सूखने पर कण के सतह आवेश और सब्सट्रेट गीलेपन के संयुक्त प्रभाव को व्यवस्थित रूप से स्पष्ट करता है। निष्कर्षों से पता चलता है कि जबकि सब्सट्रेट का गीलापन व्यापक वाष्पीकरण मोड और निक्षेप प्रसार को नियंत्रित करता है, कण का आवेश दरारों के सूक्ष्म क्रम और विलगन की प्रवृत्ति को निर्धारित करता है। ये परिणाम सांद्रता और सब्सट्रेट प्रकार के आधार पर दरार अंतराल और विलगन की सीमा की भविष्यवाणी करने के लिए एक मात्रात्मक आधार प्रदान करते हैं, जो कोलाइडल प्रसंस्करण में जमाव पैटर्न को नियंत्रित करने के लिए अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं।