Gli ingegneri dell'UH scoprono il metodo per creare una fontana d'acqua rivolta verso l'alto in acque profonde

Fontana creata dai laser, la causa è l'effetto Marangoni

Di Laurie Fickman 713-743-8454

18 gennaio 2022

Una coppia di ingegneri dell'Università di Houston ha scoperto che possono creare fontane verso l'alto nell'acqua puntando raggi laser sulla superficie dell'acqua. Jiming Bao, professore di ingegneria elettrica e informatica alla UH, e il suo studente post-dottorato Feng Lin, attribuiscono la scoperta a un fenomeno noto come effetto Marangoni, che provoca convezione e spiega il comportamento dell'acqua quando esistono differenze nella tensione superficiale.

Sebbene descritto per la prima volta nel 1860, l’effetto Marangoni è ancora diffuso nella scienza.

“Scientificamente nessuno ha previsto o immaginato prima questo tipo di deformazione verso l’alto”, riferisce Bao in Materials Today Physics. “È noto che una convezione Marangoni verso l’esterno da una regione a bassa tensione superficiale renderà depressa la superficie libera di un liquido. Qui riportiamo che questa percezione consolidata è valida solo per film liquidi sottili. Utilizzando il riscaldamento laser di superficie, mostriamo che nei liquidi profondi un raggio laser solleva il fluido sopra la superficie libera generando fontane di forme diverse”.

Ecco un'immagine Marangoni: cospargi un mazzetto di pepe in una ciotola d'acqua. Quindi spremere una goccia di detersivo liquido (per piatti, bucato, anche una goccia di sapone o dentifricio) al centro della stessa ciotola e osservare come il pepe si sparge rapidamente ai lati della ciotola. Questo semplice esperimento illustra l'effetto Marangoni, che appare in molte applicazioni della fluidodinamica.

Nell'incarnazione più recente, le fontane liquide indotte dal laser dell'effetto Marangoni hanno il potenziale di avere un impatto su applicazioni che coinvolgono liquidi o materiali morbidi come la litografia e la stampa 3D, il trasferimento di calore e il trasporto di massa, la crescita dei cristalli e la saldatura di leghe, il reticolo dinamico e la modulazione spaziale della luce e microfluidica e ottica adattiva.

Ispirato dal suo lavoro precedente, la simulazione riuscita della depressione superficiale interna in un liquido poco profondo, Bao ha aumentato la profondità del ferrofluido nella simulazione attuale. Il ferrofluido è un cosiddetto liquido “magico” ed è meglio conosciuto per le sue sorprendenti punte superficiali generate da un magnete.

“Comprendere la distinta deformazione superficiale nei liquidi con diverse profondità aiuta a svelare le dinamiche del processo di deformazione superficiale”, ha affermato Bao.

Bao ha utilizzato un raggio laser a onda continua a bassa potenza (<1 W) per creare un campo di temperatura superficiale non uniforme per indurre l'effetto Marangoni. Per comprendere le distinte deformazioni tra liquidi profondi e superficiali, ha variato lo spessore dello strato liquido mantenendo lo stesso raggio laser. Le fontane laser e la transizione dipendente dalla profondità dall'indentazione superficiale alla fontana laser non sono mai state riportate in letteratura, probabilmente perché non previste da nessuna teoria esistente.

"Sottolineiamo che ci sono stati numerosi tentativi di comprendere la deformazione superficiale guidata dal flusso di Marangoni, ma nessuna teoria esistente può prevedere in modo semplice i modelli di deformazione di un liquido con una profondità arbitraria", ha affermato Bao.