Ingenieros de la UH descubren un método para crear una fuente de agua ascendente en aguas profundas

Fuente creada por láser, el efecto Marangoni es la causa

Por Laurie Fickman 713-743-8454

18 de enero de 2022

Un par de ingenieros de la Universidad de Houston han descubierto que pueden crear fuentes ascendentes en el agua haciendo brillar rayos láser sobre la superficie del agua. Jiming Bao, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la UH, y su estudiante postdoctoral Feng Lin, atribuyen el hallazgo a un fenómeno conocido como efecto Marangoni, que causa convección y explica el comportamiento del agua cuando existen diferencias en la tensión superficial.

Aunque se describió por primera vez en la década de 1860, el efecto Marangoni todavía se sale con la suya en la ciencia.

"Científicamente nadie había predicho o imaginado antes este tipo de deformación ascendente", informa Bao en Materials Today Physics. “Es bien sabido que una convección Marangoni hacia afuera desde una región de baja tensión superficial deprimirá la superficie libre de un líquido. Aquí informamos que esta percepción establecida solo es válida para películas líquidas delgadas. Utilizando el calentamiento por láser de superficie, demostramos que en líquidos profundos un rayo láser eleva el fluido por encima de la superficie libre generando fuentes con diferentes formas”.

Aquí hay una imagen de Marangoni: espolvoree un manojo de pimienta en un recipiente con agua. Luego, exprime una gota de detergente líquido (para lavar platos, lavar ropa, incluso un trozo de jabón o pasta de dientes) en el medio del mismo recipiente y observa cómo la pimienta se esparce, esparciéndose rápidamente por los lados del recipiente. Ese sencillo experimento ilustra el efecto Marangoni, que aparece en muchas aplicaciones de la dinámica de fluidos.

En la encarnación más reciente, las fuentes líquidas inducidas por láser del efecto Marangoni tienen potencial para impactar aplicaciones que involucran líquidos o materias blandas como la litografía y la impresión 3D, la transferencia de calor y el transporte de masa, el crecimiento de cristales y la soldadura de aleaciones, las rejillas dinámicas y la modulación espacial de la luz y Microfluidos y óptica adaptativa.

Inspirado por su trabajo anterior, la simulación exitosa de la depresión de la superficie interior en un líquido poco profundo, Bao aumentó la profundidad del ferrofluido en la simulación actual. El ferrofluido es un líquido llamado "mágico" y es mejor conocido por sus sorprendentes picos superficiales generados por un imán.

"Comprender la distinta deformación de la superficie en líquidos con diferentes profundidades ayuda a desentrañar la dinámica del proceso de deformación de la superficie", dijo Bao.

Bao utilizó un rayo láser de onda continua de baja potencia (<1 W) para crear un campo de temperatura superficial no uniforme para inducir el efecto Marangoni. Para comprender las distintas deformaciones entre líquidos profundos y poco profundos, varió el espesor de la capa de líquido manteniendo el mismo rayo láser. Las fuentes de láser y la transición dependiente de la profundidad desde la indentación de la superficie a la fuente de láser nunca han sido reportadas en la literatura, probablemente porque no están previstas en ninguna teoría existente.

"Hacemos hincapié en que ha habido numerosos intentos de comprender la deformación de la superficie impulsada por el flujo de Marangoni, pero ninguna teoría existente puede predecir los patrones de deformación de un líquido con una profundidad arbitraria de manera sencilla", dijo Bao.