Кіріспе

Екі сұйықтық арасындағы физикалық құбылыс – Марангони эффектісі (сондай-ақ Гиббс-Марангони эффектісі деп аталады) – екі фаза арасындағы интерфейс бойымен беттік кернеу градиентінен туындаған массаның тасымалдануы. Егер бұл құбылыс температураға тәуелді болса, оны термокапиллярлық конвекция (немесе Бэнард-Марангони конвекциясы) деп атауға болады.

Тарих

Бұл құбылыс алғаш рет 1855 жылы физик Джеймс Томсон (Лорд Келвиннің інісі) "шарап көз жастары" деп аталатын құбылыста анықталды. Жалпы эффект итальяндық физик Карло Марангонидің есімімен аталған, ол оны Павия университетінде докторлық диссертациясы үшін зерттеді және 1865 жылы нәтижелерін жариялады. Бұл тақырып бойынша толық теориялық қарастыруды Дж. Уиллард Гиббс өзінің "Гетерогенді заттардың тепе-теңдігі туралы" (1875-1878) еңбегінде берді.

Механизм

Жоғары беткі кернеуі бар сұйықтық төмен беткі кернеуі барға қарағанда айналадағы сұйықтықты күштірек тартатындықтан, беткі кернеудегі градиенттің болуы сұйықтықтың төмен беткі кернеулі аймақтардан ағып кетуіне себеп болады. Беткі кернеу градиенті концентрация градиентімен немесе температура градиентімен туындауы мүмкін (беткі кернеу температураның функциясы). Қарапайым жағдайларда ағынның жылдамдығы , мұндағы – беткі кернеудің айырмашылығы, ал – сұйықтың тұтқырлығы. Судың беткі кернеуі шамамен 0,07 Н/м, ал тұтқырлығы бөлме температурасында шамамен 10−3 Па·с. Судың беткі кернеуінің бірнеше пайыздық өзгеруі Марангони ағынын 1 м/с жылдамдықпен тудыра алады. Осылайша Марангони ағындары жиі кездеседі және оңай байқалады. Судың бетіне тамшылап құйылған беттік белсенді заттың кішкентай тамшысы үшін Роше және әріптестері сандық эксперименттер жүргізіп, тәжірибелермен шамамен сәйкес келетін қарапайым модель жасады. Бұл модель беттік белсенді затпен жабылған су бетінің радиусының кеңеюін сипаттайды, себебі Марангони ағыны жылдамдықпен жүзеге асады. Су бетінің беттік белсенді затпен жабылған бөлігінің кеңею жылдамдығы шамамен судың беткі кернеуі үшін , , беттік белсенді затпен жабылған су бетінің (төменгі) беткі кернеуі, судың тұтқырлығы және судың массалық тығыздығы үшін есептеледі. Егер N/м болса, яғни судың беткі кернеуі ондаған пайызға төмендесе, ал су үшін N м−6с3 болса, жоғарыдағы екінші теңдікті аламыз. Бұл кеңейген беттік белсенді зат аймағының өсуімен азаятын, бірақ см/с-тан мм/с-қа дейінгі жылдамдықтар береді. Теңдеу бірнеше қарапайым жуықтаулар арқылы алынады, біріншісі – беттік белсенді заттың концентрация градиентіне байланысты (Марангони ағынын тудыратын) беткідегі кернеуді тұтқырлық кернеулерімен (ағысқа қарсы) теңестіру. Марангони кернеуі – беттік белсенді заттың концентрация градиентіне байланысты беткі кернеудің градиенті (кеңейіп жатқан жамылғының ортасында жоғарыдан, жамылғыдан алыс жерде нөлге дейін). Желмелі қию кернеуі – таралу жамылғысынан туындаған ағыстың суға ену тереңдігі үшін қию жылдамдығының градиентіне тұтқырлықтың көбейтіндісі. Бұл Marangoni эффектісімен бірге капиллярлық әрекеттің нәтижесінде болады. Сұйықтық капиллярлық әрекеттің күшімен түтіктің ыстық жағына тартылады. Бірақ сұйықтықтың көп бөлігі түтікше түрінде түтікшедегі ең ыстық бөліктен аз қашықтықта қалады, бұл Марангони ағынымен түсіндіріледі. Аксиалды және радиалды бағыттағы температура градиенттері сұйықтықты ыстық жақтан және түтіктің қабырғаларынан орталық осқа қарай жылжытады. Сұйықтық түтік қабырғаларымен кішкентай байланыс алаңы бар тамшыны құрайды, салқындатқыш тамшы мен ыстық жақтағы сұйықтық арасында сұйықты айналдыратын жұқа қабат пайда болады. Газ көпіршіктері бар жылыту бетінде (мысалы, суытылмаған қайнау кезінде) Марангони эффектісінің жылу беруге тигізетін әсері ұзақ уақыт бойы назардан тыс қалды, бірақ қазіргі уақытта қайнаудағы жылу беруді түсіну үшін маңызды болуы мүмкін болғандықтан, зерттеулердің қызығушылық тақырыбы болып табылады.

Мысалдар және қолдану

Мұның бір мысалы – сабын қабықшалары: Марангони эффекті сабын қабықшаларын тұрақтандырады. Марангони әсерінің тағы бір мысалы конвекциялық жасушалардың, атап айтқанда Бенард жасушаларының мінез-құлқында байқалады. Марангони эффектісінің маңызды қолданыстарының бірі – интегралдық схемаларды өндіру кезінде ылғалды өңдеуден кейін кремний пластиналарын кептіру. Пластина бетінде қалған сұйық тамшылары пластинадағы компоненттерге зиян келтіретін тотығуға себеп болуы мүмкін. Тамшы пайда болуын болдырмау үшін газ, бу немесе аэрозоль түріндегі изопропанол (IPA) немесе басқа органикалық қосылыстар дюза арқылы ылғал пластина бетіне (немесе тазалау сұйықтығы мен пластина арасындағы менискке, пластина судан шығарылғанда) ұршытылады, соның нәтижесінде Марангони эффектісі сұйықтықтағы беттік кернеу градиентін тудырады, бұл гравитацияның сұйықтықты пластина бетінен толығымен тартып алуына мүмкіндік береді, нәтижесінде құрғақ пластина бетіне қол жеткізіледі. Ұқсас құбылыс нанобөлшектерді реттелген массивтерге өздігінен жинақтау және реттелген нанотүтіктерді өсіру үшін шығармашылықпен пайдаланылды. Нанобөлшектер бар спирт субстратқа жағылады, содан кейін субстратқа ылғалды ауа үрленіп жіберіледі. Спирт ағын астында буланады. Сонымен қатар, су конденсацияланып, субстратта микротамшыларды құрайды. Ал спирттегі нанобөлшектер микротамшыларға ауыстырылады және кепкеннен кейін субстратта көптеген "кофе сақиналарын" құрайды. Тағы бір қолдану – кішкентай масштабтағы беттік кернеу әсерлерінің маңыздылығын пайдаланып, бөлшектерді манипуляциялау. Инфрақызыл лазерді қолдану арқылы ауа-су интерфейсін жергілікті түрде қыздыру арқылы басқарылатын термокапиллярлық конвекция жасалады. Содан кейін бұл ағын жүзуші нысандарды олардың орны мен бағыты бойынша басқару үшін қолданылады және жүзуші нысандардың өздігінен құралуына ықпал етеді, бұл Cheerios эффектісінен пайда алады. Марангони эффектісі сондай-ақ металдарды дәнекерлеу, кристалдарды өсіру және металдарды электрондық сәулемен балқыту салаларында да маңызды.