El efecto Marangoni (también llamado efecto Gibbs-Marangoni ) es la transferencia de masa a lo largo de una interfaz entre dos fases debido a un gradiente de tensión superficial . En el caso de la dependencia de la temperatura, este fenómeno puede denominarse convección termocapilar [1] (o convección de Bénard-Marangoni ). [2]
Este fenómeno fue identificado por primera vez en las llamadas " lágrimas de vino " por el físico James Thomson ( hermano de Lord Kelvin ) en 1855. [3] El efecto general lleva el nombre del físico italiano Carlo Marangoni , quien lo estudió para su tesis doctoral. en la Universidad de Pavía y publicó sus resultados en 1865. [4] J. Willard Gibbs dio un tratamiento teórico completo del tema en su obra Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas (1875-8). [5]
Dado que un líquido con una tensión superficial alta atrae con más fuerza el líquido circundante que uno con una tensión superficial baja, la presencia de un gradiente en la tensión superficial hará que el líquido se aleje naturalmente de las regiones de tensión superficial baja. El gradiente de tensión superficial puede ser causado por un gradiente de concentración o por un gradiente de temperatura (la tensión superficial es función de la temperatura).
En casos simples, la velocidad del flujo , donde es la diferencia de tensión superficial y es la viscosidad del líquido. El agua tiene una tensión superficial de alrededor de 0,07 N/m y una viscosidad de aproximadamente 10 −3 Pa s a temperatura ambiente. Así, incluso variaciones de un pequeño porcentaje en la tensión superficial del agua pueden generar flujos Marangoni de casi 1 m/s. Por tanto, los flujos de Marangoni son comunes y fáciles de observar.
Para el caso de una pequeña gota de surfactante que cayó sobre la superficie del agua, Roché y sus compañeros de trabajo [6] realizaron experimentos cuantitativos y desarrollaron un modelo simple que concordaba aproximadamente con los experimentos. Esto describió la expansión en el radio de un parche de la superficie cubierta de surfactante, debido a un flujo de Marangoni hacia afuera a una velocidad . Descubrieron que la velocidad de expansión de la zona de la superficie del agua cubierta de surfactante se produjo a una velocidad de aproximadamente
para la tensión superficial del agua, la tensión superficial (inferior) de la superficie del agua cubierta de surfactante, la viscosidad del agua y la densidad de masa del agua. Para N/m, es decir, una reducción del orden de decenas de por ciento en la tensión superficial del agua, y en cuanto al agua N m −6 s 3 , obtenemos la segunda igualdad anterior. Esto da velocidades que disminuyen a medida que crece la región cubierta de surfactante, pero son del orden de cms/s a mm/s.
La ecuación se obtiene haciendo un par de aproximaciones simples, la primera es equiparando la tensión en la superficie debido al gradiente de concentración de surfactante (que impulsa el flujo de Marangoni) con las tensiones viscosas (que se oponen al flujo). La tensión de Marangoni , es decir, el gradiente en la tensión superficial debido al gradiente en la concentración de surfactante (desde alto en el centro del parche en expansión hasta cero lejos del parche). El esfuerzo cortante viscoso es simplemente la viscosidad multiplicada por el gradiente de velocidad de corte , para la profundidad en el agua del flujo debido a la extensión del parche. Roché y compañeros de trabajo [6] suponen que el impulso (que se dirige radialmente) se difunde hacia abajo en el líquido, durante la expansión, y así cuando el parche ha alcanzado un radio ,, para la viscosidad cinemática , que es la constante de difusión para el impulso en un líquido. Igualando las dos tensiones
donde aproximamos el gradiente . Tomando la potencia de 2/3 de ambos lados se obtiene la expresión anterior.
El número de Marangoni , un valor adimensional, se puede utilizar para caracterizar los efectos relativos de la tensión superficial y las fuerzas viscosas.
Por ejemplo, el vino puede presentar un efecto visible llamado " lágrimas de vino ". El efecto es consecuencia del hecho de que el alcohol tiene una tensión superficial más baja y una mayor volatilidad que el agua. La solución de agua/alcohol sube por la superficie del vidrio, lo que reduce la energía superficial del vidrio. El alcohol se evapora de la película dejando un líquido con una tensión superficial más alta (más agua, menos alcohol). Esta región con una concentración más baja de alcohol (mayor tensión superficial) atrae el líquido circundante con más fuerza que las regiones con una concentración de alcohol más alta (más baja en el vaso). El resultado es que el líquido se eleva hasta que su propio peso excede la fuerza del efecto y el líquido vuelve a gotear por las paredes del recipiente. Esto también se puede demostrar fácilmente extendiendo una fina película de agua sobre una superficie lisa y luego dejando caer una gota de alcohol en el centro de la película. El líquido saldrá de la región donde cayó la gota de alcohol.
En condiciones terrestres, el efecto de la gravedad que causa la convección natural en un sistema con un gradiente de temperatura a lo largo de una interfaz fluido/fluido suele ser mucho más fuerte que el efecto Marangoni. Se han realizado muchos experimentos ( ESA MASER 1-3) en condiciones de microgravedad a bordo de cohetes sonda para observar el efecto Marangoni sin la influencia de la gravedad. La investigación sobre tubos de calor realizada en la Estación Espacial Internacional reveló que, mientras que los tubos de calor expuestos a un gradiente de temperatura en la Tierra hacen que el fluido interno se evapore en un extremo y migre a lo largo del tubo, secando así el extremo caliente, en el espacio (donde los efectos de la gravedad se puede ignorar) sucede lo contrario y el extremo caliente de la tubería se inunda con líquido. [7] Esto se debe al efecto Marangoni, junto con la acción capilar . El fluido es atraído hacia el extremo caliente del tubo por acción capilar. Pero la mayor parte del líquido todavía termina como una gota a poca distancia de la parte más caliente del tubo, lo que se explica por el flujo de Marangoni. Los gradientes de temperatura en direcciones axial y radial hacen que el fluido fluya desde el extremo caliente y las paredes del tubo, hacia el eje central. El líquido forma una gota con un área de contacto pequeña con las paredes del tubo, una película delgada que hace circular el líquido entre la gota más fría y el líquido en el extremo caliente.
El efecto del efecto Marangoni sobre la transferencia de calor en presencia de burbujas de gas en la superficie de calentamiento (por ejemplo, en ebullición nucleada subenfriada) se ha ignorado durante mucho tiempo, pero actualmente es un tema de interés de investigación en curso debido a su posible importancia fundamental para la Comprensión de la transferencia de calor en ebullición. [8]
Un ejemplo conocido son las películas de jabón : el efecto Marangoni estabiliza las películas de jabón. Otro ejemplo del efecto Marangoni aparece en el comportamiento de las células de convección, las llamadas células de Bénard .
Una aplicación importante del efecto Marangoni es el uso para secar obleas de silicio después de un paso de procesamiento húmedo durante la fabricación de circuitos integrados . Las manchas de líquido que quedan en la superficie de la oblea pueden provocar oxidación que dañe los componentes de la oblea. Para evitar manchas, se sopla un vapor de alcohol (IPA) u otro compuesto orgánico en forma de gas, vapor o aerosol a través de una boquilla sobre la superficie húmeda de la oblea (o en el menisco formado entre el líquido de limpieza y la oblea cuando la oblea se levanta). un baño de inmersión), y el efecto Marangoni posterior causa un gradiente de tensión superficial en el líquido que permite que la gravedad extraiga más fácilmente el líquido completamente de la superficie de la oblea, dejando efectivamente una superficie de oblea seca.
Se ha utilizado creativamente un fenómeno similar para autoensamblar nanopartículas en matrices ordenadas [9] y hacer crecer nanotubos ordenados. [10] Se esparce un alcohol que contiene nanopartículas sobre el sustrato y luego se sopla aire húmedo sobre el sustrato. El alcohol se evapora bajo la corriente. Al mismo tiempo, el agua se condensa y forma microgotas sobre el sustrato. Mientras tanto, las nanopartículas en alcohol se transfieren a las microgotas y finalmente forman numerosos anillos de café en el sustrato después del secado.
Otra aplicación es la manipulación de partículas [11] aprovechando la relevancia de los efectos de la tensión superficial a pequeñas escalas. Se crea una convección termocapilar controlada calentando localmente la interfaz aire-agua utilizando un láser infrarrojo . Luego, este flujo se utiliza para controlar los objetos flotantes tanto en posición como en orientación y puede provocar el autoensamblaje de objetos flotantes, aprovechando el efecto Cheerios .
El efecto Marangoni también es importante en los campos de la soldadura , el crecimiento de cristales y la fusión de metales por haz de electrones . [1]
