We study the evaporation-induced stratification of a mixture of short and long polymer chains in a drying droplet using molecular simulations. We systematically investigate the effects of hydrodynamic interactions (HI) on this process by comparing hybrid simulations accounting for HI between polymers through the multiparticle collision dynamics technique with free-draining Langevin dynamics simulations neglecting the same. We find that the dried supraparticle morphologies are homogeneous when HI are included but are stratified in core–shell structures (with the short polymers forming the shell) when HI are neglected. The simulation methodology unambiguously attributes this difference to the treatment of the solvent in the two models. We rationalize the presence (or absence) of stratification by measuring phenomenological multicomponent diffusion coefficients for the polymer mixtures. The diffusion coefficients show the importance of not only solvent backflow but also HI between polymers in controlling the dried supraparticle morphology.

1.
2.
S. K.
Kumar
,
V.
Ganesan
, and
R. A.
Riggleman
,
J. Chem. Phys.
147
,
020901
(
2017
).
3.
M. A.
Boles
,
M.
Engel
, and
D. V.
Talapin
,
Chem. Rev.
116
,
11220
(
2016
).
4.
Y.-H.
Ye
,
F.
LeBlanc
,
A.
Haché
, and
V.-V.
Truong
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
52
(
2001
).
5.
S. H.
Im
and
O. O.
Park
,
Langmuir
18
,
9642
(
2002
).
6.
Y.-W.
Chung
,
I.-C.
Leu
,
J.-H.
Lee
, and
M.-H.
Hon
,
Langmuir
22
,
6454
(
2006
).
7.
A.
Courty
,
J.
Richardi
,
P.-A.
Albouy
, and
M.-P.
Pileni
,
Chem. Mater.
23
,
4186
(
2011
).
8.
S.
Narayanan
,
J.
Wang
, and
X.-M.
Lin
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
135503
(
2004
).
9.
T. P.
Bigioni
,
X.-M.
Lin
,
T. T.
Nguyen
,
E. I.
Corwin
,
T. A.
Witten
, and
H. M.
Jaeger
,
Nat. Mater.
5
,
265
(
2006
).
10.
M.
Wang
and
J. F.
Brady
,
Soft Matter
13
,
8156
(
2017
).
11.
M. P.
Howard
,
W. F.
Reinhart
,
T.
Sanyal
,
M. S.
Shell
,
A.
Nikoubashman
, and
A. Z.
Panagiotopoulos
,
J. Chem. Phys.
149
,
094901
(
2018
).
12.
S.
Cheng
and
G. S.
Grest
,
J. Chem. Phys.
138
,
064701
(
2013
).
13.
M.
Schulz
and
J. L.
Keddie
,
Soft Matter
14
,
6181
(
2018
).
14.
S.
Chhajed
,
M. F.
Schubert
,
J. K.
Kim
, and
E. F.
Schubert
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
251108
(
2008
).
15.
I.
Lee
,
J. Y.
Park
,
S.
Gim
,
K.
Kim
,
S.-H.
Cho
,
C. S.
Choi
,
S.-Y.
Song
, and
J.-L.
Lee
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
8
,
3326
(
2016
).
16.
C.
Carelli
,
F.
Déplace
,
L.
Boissonnet
, and
C.
Creton
,
J. Adhes.
83
,
491
(
2007
).
17.
A. B.
López
,
J. C.
de la Cal
, and
J. M.
Asua
,
Polymer
124
,
12
(
2017
).
18.
R. E.
Trueman
,
E. L.
Domingues
,
S. N.
Emmett
,
M. W.
Murray
,
J. L.
Keddie
, and
A. F.
Routh
,
Langmuir
28
,
3420
(
2012
).
19.
A.
Fortini
,
I.
Martín-Fabiani
,
J. L.
De La Haye
,
P.-Y.
Dugas
,
M.
Lansalot
,
F.
D’Agosto
,
E.
Bourgeat-Lami
,
J. L.
Keddie
, and
R. P.
Sear
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
118301
(
2016
).
20.
I.
Martín-Fabiani
,
A.
Fortini
,
J.
Lesage de la Haye
,
M. L.
Koh
,
S. E.
Taylor
,
E.
Bourgeat-Lami
,
M.
Lansalot
,
F.
D’Agosto
,
R. P.
Sear
, and
J. L.
Keddie
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
8
,
34755
(
2016
).
21.
D. K.
Makepeace
,
A.
Fortini
,
A.
Markov
,
P.
Locatelli
,
C.
Lindsay
,
S.
Moorhouse
,
R.
Lind
,
R. P.
Sear
, and
J. L.
Keddie
,
Soft Matter
13
,
6969
(
2017
).
22.
X.
Liu
,
W.
Liu
,
A. J.
Carr
,
D.
Santiago Vazquez
,
D.
Nykypanchuk
,
P. W.
Majewski
,
A. F.
Routh
, and
S. R.
Bhatia
,
J. Colloid Interface Sci.
515
,
70
(
2018
).
23.
A. J.
Carr
,
W.
Liu
,
K. G.
Yager
,
A. F.
Routh
, and
S. R.
Bhatia
,
ACS Appl. Nano Mater.
1
,
4211
(
2018
).
24.
W.
Liu
,
A. J.
Carr
,
K. G.
Yager
,
A. F.
Routh
, and
S. R.
Bhatia
,
J. Colloid Interface Sci.
538
,
209
(
2019
).
25.
M. P.
Howard
,
A.
Nikoubashman
, and
A. Z.
Panagiotopoulos
,
Langmuir
33
,
3685
(
2017
).
26.
A.
Fortini
and
R. P.
Sear
,
Langmuir
33
,
4796
(
2017
).
27.
Y.
Tang
,
G. S.
Grest
, and
S.
Cheng
,
Langmuir
34
,
7161
(
2018
).
28.
Y.
Tang
,
G. S.
Grest
, and
S.
Cheng
,
Langmuir
35
,
4296
(
2019
).
29.
Y.
Tang
,
G. S.
Grest
, and
S.
Cheng
,
J. Chem. Phys.
150
,
224901
(
2019
).
30.
M. P.
Howard
,
A.
Nikoubashman
, and
A. Z.
Panagiotopoulos
,
Langmuir
33
,
11390
(
2017
).
31.
A.
Statt
,
M. P.
Howard
, and
A. Z.
Panagiotopoulos
,
J. Chem. Phys.
149
,
024902
(
2018
).
32.
S.
Cheng
and
G. S.
Grest
,
ACS Macro Lett.
5
,
694
(
2016
).
33.
L. T.
Raju
,
S.
Chakraborty
,
B.
Pathak
, and
S.
Basu
,
Langmuir
34
,
5323
(
2018
).
34.
W.
Liu
,
J.
Midya
,
M.
Kappl
,
H.-J.
Butt
, and
A.
Nikoubashman
,
ACS Nano
13
,
4972
(
2019
).
35.
T. E.
Gartner
 III
,
C. M.
Heil
, and
A.
Jayaraman
,
Mol. Syst. Des. Eng.
5
,
864
(
2020
).
36.
K.
Hou
,
J.
Han
, and
Z.
Tang
,
ACS Mater. Lett.
2
,
95
(
2020
).
37.
W.
Liu
,
M.
Kappl
, and
H.-J.
Butt
,
ACS Nano
13
,
13949
(
2019
).
38.
M.
Xiao
,
Z.
Hu
,
T. E.
Gartner
 III
,
X.
Yang
,
W.
Li
,
A.
Jayaraman
,
N. C.
Gianneschi
,
M. D.
Shawkey
, and
A.
Dhinojwala
,
Sci. Adv.
5
,
eaax1254
(
2019
).
39.
A. F.
Routh
and
W. B.
Zimmerman
,
Chem. Eng. Sci.
59
,
2961
(
2004
).
40.
R. E.
Trueman
,
E. L.
Domingues
,
S. N.
Emmett
,
M. W.
Murray
, and
A. F.
Routh
,
J. Colloid Interface Sci.
377
,
207
(
2012
).
41.
J.
Zhou
,
Y.
Jiang
, and
M.
Doi
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
108002
(
2017
).
42.
U. M. B.
Marconi
and
P.
Tarazona
,
J. Chem. Phys.
110
,
8032
(
1999
).
43.
A. J.
Archer
and
R.
Evans
,
J. Chem. Phys.
121
,
4246
(
2004
).
44.
A. J.
Archer
,
J. Phys.: Condens. Matter
17
,
1405
(
2005
).
45.
46.
J. B.
Brady
,
Am. J. Sci.
275
,
954
(
1975
).
47.
J. F.
Brady
,
J. Fluid Mech.
667
,
216
(
2011
).
48.
R. P.
Sear
and
P. B.
Warren
,
Phys. Rev. E
96
,
062602
(
2017
).
49.
R. P.
Sear
,
J. Chem. Phys.
148
,
134909
(
2018
).
50.
T.
Okuzono
,
K.
Ozawa
, and
M.
Doi
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
136103
(
2006
).
51.
S.
Ramírez-Hinestrosa
,
H.
Yoshida
,
L.
Bocquet
, and
D.
Frenkel
,
J. Chem. Phys.
152
,
164901
(
2020
).
52.
M. P.
Howard
,
A.
Nikoubashman
, and
J. C.
Palmer
,
Curr. Opin. Chem. Eng.
23
,
34
(
2019
).
53.
B.
Widom
,
J. Chem. Phys.
39
,
2808
(
1963
).
54.
B.
Chun
,
T.
Yoo
, and
H. W.
Jung
,
Soft Matter
16
,
523
(
2020
).
55.
Y.
Tang
and
S.
Cheng
,
Phys. Rev. E
98
,
032802
(
2018
).
56.
J. D.
Weeks
,
D.
Chandler
, and
H. C.
Andersen
,
J. Chem. Phys.
54
,
5237
(
1971
).
57.
M.
Bishop
,
M. H.
Kalos
, and
H. L.
Frisch
,
J. Chem. Phys.
70
,
1299
(
1979
).
58.
K.
Kremer
and
G. S.
Grest
,
J. Chem. Phys.
92
,
5057
(
1990
).
59.
P.
Pieranski
,
Phys. Rev. Lett.
45
,
569
(
1980
).
60.
61.
A.
Malevanets
and
R.
Kapral
,
J. Chem. Phys.
110
,
8605
(
1999
).
62.
G.
Gompper
,
T.
Ihle
,
D. M.
Kroll
, and
R. G.
Winkler
, in
Advanced Computer Simulation Approaches for Soft Matter Sciences III
, Advances in Polymer Science Vol. 221, edited by
C.
Holm
and
K.
Kremer
(
Springer
,
Berlin
,
2009
), pp.
1
87
.
63.
T.
Ihle
and
D. M.
Kroll
,
Phys. Rev. E
63
,
020201(R)
(
2001
).
64.
C.-C.
Huang
,
G.
Gompper
, and
R. G.
Winkler
,
Phys. Rev. E
86
,
056711
(
2012
).
65.
V.
Dahirel
,
X.
Zhao
,
B.
Couet
,
G.
Batôt
, and
M.
Jardat
,
Phys. Rev. E
98
,
053301
(
2018
).
66.
T.
Eisenstecken
,
R.
Hornung
,
R. G.
Winkler
, and
G.
Gompper
,
Europhys. Lett.
121
,
24003
(
2018
).
67.
C.
Aponte-Rivera
and
R. N.
Zia
,
Phys. Rev. Fluids
1
,
023301
(
2016
).
68.
I.-C.
Yeh
and
G.
Hummer
,
J. Phys. Chem. B
108
,
15873
(
2004
).
69.
C. C.
Huang
,
A.
Chatterji
,
G.
Sutmann
,
G.
Gompper
, and
R. G.
Winkler
,
J. Comput. Phys.
229
,
168
(
2010
).
70.
J. A.
Anderson
,
C. D.
Lorenz
, and
A.
Travesset
,
J. Comput. Phys.
227
,
5342
(
2008
).
71.
J.
Glaser
,
T. D.
Nguyen
,
J. A.
Anderson
,
P.
Lui
,
F.
Spiga
,
J. A.
Millan
,
D. C.
Morse
, and
S. C.
Glotzer
,
Comput. Phys. Commun.
192
,
97
(
2015
).
72.
M. P.
Howard
,
A. Z.
Panagiotopoulos
, and
A.
Nikoubashman
,
Comput. Phys. Commun.
230
,
10
(
2018
).
74.
M.
Doi
and
S. F.
Edwards
,
The Theory of Polymer Dynamics
(
Oxford University Press
,
New York
,
1986
).
75.
I.
Teraoka
,
Polymer Solutions: An Introduction to Physical Properties
(
Wiley
,
New York
,
2002
).
76.
K.
Mussawisade
,
M.
Ripoll
,
R. G.
Winkler
, and
G.
Gompper
,
J. Chem. Phys.
123
,
144905
(
2005
).
77.
E. J.
Maginn
,
A. T.
Bell
, and
D. N.
Theodorou
,
J. Phys. Chem.
97
,
4173
(
1993
).
78.
G. K.
Batchelor
,
J. Fluid Mech.
74
,
1
(
1976
).
79.
G.
Jackson
,
W. G.
Chapman
, and
K. E.
Gubbins
,
Mol. Phys.
65
,
1
(
1988
).
80.
W. G.
Chapman
,
G.
Jackson
, and
K. E.
Gubbins
,
Mol. Phys.
65
,
1057
(
1988
).
You do not currently have access to this content.