Engenheiros da UH descobrem método para criar fonte de água ascendente em águas profundas

Fonte criada por lasers, efeito Marangoni é a causa

Por Laurie Fickman 713-743-8454

18 de janeiro de 2022

Dois engenheiros da Universidade de Houston descobriram que podem criar fontes ascendentes na água, lançando raios laser na superfície da água. Jiming Bao, professor de engenharia elétrica e de computação na UH, e seu aluno de pós-doutorado Feng Lin, atribuem a descoberta a um fenômeno conhecido como efeito Marangoni, que causa convecção e explica o comportamento da água quando existem diferenças na tensão superficial.

Embora descrito pela primeira vez na década de 1860, o efeito Marangoni ainda está presente na ciência.

“Cientificamente, ninguém previu ou imaginou este tipo de deformação ascendente antes”, relata Bao em Materials Today Physics. “É bem sabido que uma convecção de Marangoni para fora de uma região de baixa tensão superficial tornará a superfície livre de um líquido deprimida. Aqui, relatamos que esta percepção estabelecida é válida apenas para filmes líquidos finos. Usando aquecimento de superfície a laser, mostramos que em líquidos profundos um feixe de laser puxa o fluido acima da superfície livre, gerando fontes com diferentes formatos.”

Aqui está um visual de Marangoni: Polvilhe um monte de pimenta em uma tigela com água. Em seguida, esprema uma gota de detergente líquido (lava-louça, roupa, até mesmo uma lasca de sabão ou pasta de dente) no meio da mesma tigela e observe a pimenta escorrer, espalhando-se rapidamente pelas laterais da tigela. Esse experimento simples ilustra o efeito Marangoni, que aparece em muitas aplicações da dinâmica de fluidos.

Na encarnação mais recente, as fontes líquidas induzidas por laser do efeito Marangoni têm potencial para impactar aplicações envolvendo líquidos ou matérias moles, como litografia e impressão 3D, transferência de calor e transporte de massa, crescimento de cristais e soldagem de ligas, grades dinâmicas e modulação de luz espacial e microfluídica e óptica adaptativa.

Inspirado em seu trabalho anterior, a simulação bem-sucedida da depressão superficial interna em um líquido raso, Bao aumentou a profundidade do ferrofluido na simulação atual. O ferrofluido é o chamado líquido “mágico” e é mais conhecido por seus surpreendentes picos superficiais gerados por um ímã.

“Compreender a deformação superficial distinta em líquidos com diferentes profundidades ajuda a desvendar a dinâmica do processo de deformação superficial”, disse Bao.

Bao usou um feixe de laser de onda contínua de baixa potência (<1 W) para criar um campo de temperatura de superfície não uniforme para induzir o efeito Marangoni. Para compreender as deformações distintas entre líquidos profundos e rasos, ele variou a espessura da camada líquida, mantendo o mesmo feixe de laser. As fontes de laser e a transição dependente da profundidade da indentação superficial para a fonte de laser nunca foram relatadas na literatura, provavelmente porque não são previstas por nenhuma teoria existente.

“Enfatizamos que houve inúmeras tentativas de compreender a deformação superficial causada pelo fluxo de Marangoni, mas nenhuma teoria existente pode prever os padrões de deformação de um líquido com profundidade arbitrária de maneira direta”, disse Bao.