UH-Ingenieure entdecken Methode zur Schaffung einer nach oben gerichteten Wasserfontäne in tiefem Wasser

Durch Laser erzeugter Brunnen, Marangoni-Effekt ist die Ursache

By Laurie Fickman 713-743-8454

18. Januar 2022

Ein Ingenieurpaar der University of Houston hat herausgefunden, dass sie aufsteigende Fontänen im Wasser erzeugen können, indem sie Laserstrahlen auf die Wasseroberfläche richten. Jiming Bao, Professor für Elektrotechnik und Computertechnik an der UH, und sein Postdoktorand Feng Lin führen den Befund auf ein Phänomen namens Marangoni-Effekt zurück, das Konvektion verursacht und das Verhalten von Wasser erklärt, wenn Unterschiede in der Oberflächenspannung bestehen.

Obwohl der Marangoni-Effekt erstmals in den 1860er Jahren beschrieben wurde, ist er in der Wissenschaft noch immer verbreitet.

„Wissenschaftlich hat noch niemand diese Art der Aufwärtsverformung vorhergesagt oder sich vorgestellt“, berichtet Bao in Materials Today Physics. „Es ist bekannt, dass eine nach außen gerichtete Marangoni-Konvektion aus einem Bereich mit niedriger Oberflächenspannung die freie Oberfläche einer Flüssigkeit erniedrigt. Hier berichten wir, dass diese etablierte Wahrnehmung nur für dünne Flüssigkeitsfilme gilt. Mithilfe der Oberflächenlasererwärmung zeigen wir, dass in tiefen Flüssigkeiten ein Laserstrahl die Flüssigkeit über die freie Oberfläche hochzieht und Fontänen mit unterschiedlichen Formen erzeugt.“

Hier ist ein Bild von Marangoni: Streuen Sie einen Bund Pfeffer in eine Schüssel mit Wasser. Drücken Sie dann einen Tropfen Flüssigwaschmittel (Geschirrspülmittel, Wäsche, sogar ein Stück Seife oder Zahnpasta) in die Mitte derselben Schüssel und beobachten Sie, wie sich der Pfeffer ausbreitet und sich schnell an den Seiten der Schüssel verteilt. Dieses einfache Experiment veranschaulicht den Marangoni-Effekt, der in vielen Anwendungen der Fluiddynamik auftritt.

In der jüngsten Form haben die laserinduzierten Flüssigkeitsfontänen des Marangoni-Effekts das Potenzial, Anwendungen mit Flüssigkeiten oder weichen Stoffen wie Lithographie und 3D-Druck, Wärmeübertragung und Massentransport, Kristallwachstum und Legierungsschweißen, dynamische Gitter und räumliche Lichtmodulation usw. zu beeinflussen Mikrofluidik und adaptive Optik.

Inspiriert von seiner früheren Arbeit, der erfolgreichen Simulation der nach innen gerichteten Oberflächenvertiefung in einer flachen Flüssigkeit, erhöhte Bao in der aktuellen Simulation die Tiefe des Ferrofluids. Ferrofluid ist eine sogenannte „magische“ Flüssigkeit und vor allem für ihre erstaunlichen Oberflächenspitzen bekannt, die von einem Magneten erzeugt werden.

„Das Verständnis der ausgeprägten Oberflächenverformung in Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Tiefen hilft, die Dynamik des Oberflächenverformungsprozesses zu entschlüsseln“, sagte Bao.

Bao verwendete einen Dauerstrichlaserstrahl geringer Leistung (<1 W), um ein ungleichmäßiges Oberflächentemperaturfeld zu erzeugen und so den Marangoni-Effekt auszulösen. Um die unterschiedlichen Verformungen zwischen tiefen und flachen Flüssigkeiten zu verstehen, variierte er die Dicke der Flüssigkeitsschicht bei gleichbleibendem Laserstrahl. Über die Laserfontänen und den tiefenabhängigen Übergang von der Oberflächenvertiefung zur Laserfontäne wurde in der Literatur nie berichtet, wahrscheinlich weil sie in keiner bestehenden Theorie vorhergesehen werden.

„Wir betonen, dass es zahlreiche Versuche gab, die durch die Marangoni-Strömung verursachte Oberflächenverformung zu verstehen, aber keine bestehende Theorie kann die Verformungsmuster einer Flüssigkeit mit beliebiger Tiefe auf einfache Weise vorhersagen“, sagte Bao.