High time resolution measurements of droplet evaporation kinetics and particle crystallisation

文献情報

出版日 2021-08-11
DOI 10.1039/D1CP02840E
インパクトファクター 3.676
著者

D. A. Hardy, J. Archer, P. Lemaitre, R. Vehring, J. P. Reid, J. S. Walker


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要旨

A refined technique for observing the complete evaporation behaviour of free-falling droplets, from droplet generation to complete solvent evaporation, with ultra-high time resolution is introduced and benchmarked. High-resolution phase-delay stroboscopic imaging is employed to simultaneously resolve the evolving droplet morphology, geometric and aerodynamic diameters, throughout the evaporative lifetime with a user-controlled < μs timescale. This allows rapid, complex morphological changes, such as crystallisation events, to be clearly observed and the corresponding mechanisms to be inferred. The dried particles are sampled for offline SEM analysis and the observed morphologies compared to the inflight imaging. Density changes can be calculated directly from the deviation between the geometric and aerodynamic diameters. The full capabilities of the new technique are demonstrated by examination of the different evaporation behaviours and crystallisation mechanisms for aqueous sodium chloride droplets evaporating under different ambient relative humidity (RH) conditions. The crystallisation window, defined as the time taken from initial to complete crystallisation, is shown to be RH dependent, extending from 0.03 s at 20% RH and 0.13 s at 40% RH. The different crystallisation mechanisms observed during the experiments are also clearly reflected in the final structure of the dry particles, with multi-crystal structures produced at low RH compared to single-crystal structures at higher RH. It is anticipated that this technique will unlock measurements which explore the evaporation behaviour and crystallisation mechanisms for rapid, complex droplet drying events, and with increasingly non-ideal solutions, relevant to industrial applications.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

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CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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