मारंगोनी प्रभाव

मारांगोनी प्रभाव का प्रायोगिक प्रदर्शन। काली मिर्च को बायीं थाली में जल की सतह पर प्रकीर्णित किया जाता है; जब उस जल में साबुन की एक बूंद डाली जाती है, तो काली मिर्च के कण तेजी से बाहर की ओर निकलते हैं।

मारांगोनी प्रभाव (जिसे गिब्स-मारंगोनी प्रभाव भी कहा जाता है) पृष्ठ-तनाव की प्रवणता के कारण दो चरणों के बीच किसी इंटरफ़ेस के साथ द्रव्यमान हस्तांतरण है। तापमान पर निर्भरता की स्थिति में, इस घटना को ताप-नलिका संवहन कहा जा सकता है (या बेनार्ड-मारंगोनी संवहन)।

इतिहास

यह प्रक्रिया सर्वप्रथम 1855 में भौतिकविद जेम्स थॉमसन (लॉर्ड केल्विन के भाई) द्वारा "टीयर्स ऑफ़ वाइन" के नाम से विख्यात हुई थीl सामान्य प्रभाव को इटली के भौतिकविद कार्लो मारंगोनी के नाम पर रखा गया है, जिन्होंने इसे अपने डॉक्टरल शोध प्रबंध के लिए पाविया विश्वविद्यालय में अध्ययन किया और 1865 में अपने परिणाम प्रकाशित किए थे। इस विषय के संपूर्ण सिद्धांतात्मक विवरण को जे. विलार्ड गिब्स ने अपने कार्य "विषमांगी पदार्थों की साम्यावस्था पर" (1875-8) में दिया ।

क्रियाविधि

तरल पदार्थ जिसक पृष्ठ-तनाव उच्च होता है, वह प्राकृतिक रूप से निम्न पृष्ठ-तनाव वाले परिस्थितियों से अधिक प्रबलता से आस-पास के तरल पदार्थ को आकर्षित करता है, इसलिए पृष्ठ-तनाव में प्रवणता का अस्तित्व प्राकृतिक रूप से निम्न पृष्ठ-तनाव वाले क्षेत्रों से तरल को दूर ले जाने का कारण बनाती है। पृष्ठ-तनाव प्रवणता सांद्रता प्रवणता या तापमान प्रवणता (पृष्ठ-तनाव तापमान का एक फलन है) के कारण हो सकता है।

साधारण स्थितियों में, प्रवाह की गति $u\approx \Delta \gamma /\mu$ होती है, जहां $\Delta \gamma$ पृष्ठ-तनाव का अंतर है और $\mu$ तरल पदार्थ की श्यानता होती है। कमरे के तापमान पर जल का पृष्ठ-तनाव लगभग 0.07 N/m होता है, और जल की श्यानता लगभग 10⁻³ Pa s होती है। इसलिए, जल का पृष्ठ-तनाव में कुछ ही प्रतिशत की विभिन्नताएं भी लगभग 1 m/s के निकट के मारांगोनी प्रवाह को उत्पन्न कर सकती हैं। इस प्रकार, मारांगोनी प्रवाह सामान्य और आसानी से देखी जा सकती हैं।

पृष्ठ संक्रियक (सर्फैक्टेंट) की एक छोटी बूंद को जल की सतह पर छोड़ने की स्थिति में, रोश और सहयोगियों ने मात्रात्मक प्रयोग किए और साधारण मॉडल विकसित किया जो प्रयोगों के लगभग सहमत था। इसमें $u$ की गति से बाहरी मारंगोनी प्रवाह के कारण, पृष्ठ संक्रियक से ढके सतह के एक पैच के त्रिज्या $r$ में विस्तार का वर्णन किया गया है। उन्होंने यह खोजा कि पृष्ठ संक्रियक से ढके हुए जल की सतह के क्षेत्र का विस्तार लगभग की गति से होता हैl

$u\approx {\frac {(\gamma _{\rm {w}}-\gamma _{\rm {s}})^{2/3}}{\left(\mu \rho r\right)^{1/3}}}\approx {\frac {10^{-2}}{r^{1/3}}}~~;~~(r~~{\mbox{in m}})$

$\gamma _{\rm {w}}$ के लिए, जल की पृष्ठ तनाव, $\gamma _{\rm {s}}$ के लिए, पृष्ठ संक्रियक से प्रच्छन्न जल का पृष्ठ तनाव (नीचे की ओर), $\mu$ जल की श्यानता, और $\rho$ जल का द्रव्यमान घनत्व होता है। $(\gamma _{\rm {w}}-\gamma _{\rm {s}})\approx 10^{-2}$ N/m के लिए, अर्थात जल के पृष्ठ तनाव में लगभग दसियों प्रतिशत की कमी, और जल के लिए $(\mu \rho )\sim 1$ N m⁻⁶s³, हम ऊपर दूसरी समानता प्राप्त करते हैं। इससे हमें पृष्ठ संक्रियक-आच्छादित क्षेत्र बढ़ने के साथ कम होने वाली गति प्राप्त होती है, लेकिन यह cms/s से mm/s की कोटि की होती है।

यह समीकरण कुछ साधारण सन्निकटन द्वारा प्राप्त किया जाता है, प्रथम सन्निकटन पृष्ठ संक्रियक (जो मारंगोनी प्रवाह को संचालित करता है) की संचारी प्रवणता के कारण पृष्ठ तनाव को श्यान तनावों के साथ समानांतर करने के माध्यम से होता है (जो प्रवाह का विरोध करता है)। मारांगोनी तनाव $\sim (\partial \gamma /\partial r)$, अर्थात पृष्ठ संक्रियक आपूर्ति की प्रवणता के कारण पृष्ठ तनाव में प्रवणता (जो विस्तारित पैच के केंद्र में उच्च से, पैच से शून्य दूर तक होती है)। श्यान अपरूपण तनाव केवल अपरूपण वेग $\sim \mu (u/l)$ में प्रवणता की श्यानता गुना होता है, $l$ के लिए विस्तारित पैच के कारण प्रवाह के लिए जल में गहराई है। रोश और सहकर्मी मानते हैं कि संवेग (जो रेडियल रूप से निर्देशित होती है) प्रसार के दौरान तरल में विकीर्ण हो जाता है, और इसलिए जब पैच $\nu =\mu /\rho$ के लिए त्रिज्या $r$, $l\sim (\nu r/u)^{1/2}$, तक पहुंच जाता है, तो शुद्धगतिक श्यानता, जो एक तरल पदार्थ में गति के लिए प्रसार स्थिरांक है।

$u^{3/2}\approx {\frac {(\nu r)^{1/2}}{\mu }}\left({\frac {\partial \gamma }{\partial r}}\right)\approx {\frac {r^{1/2}}{(\mu \rho )^{1/2}}}{\frac {\gamma _{\rm {w}}-\gamma _{\rm {s}}}{r}}$

जहां हमने प्रवणता $(\partial \gamma /\partial r)\approx (\gamma _{\rm {w}}-\gamma _{\rm {s}})/r$ का सन्निकटन ज्ञात किया है। दोनों पक्षों की 2/3 घात लेने पर उपरोक्त व्यंजक प्राप्त होता है।

मारंगोनी संख्या, एक विमाहीन मान, का उपयोग पृष्ठ तनाव और श्यान बलों के सापेक्ष प्रभावों को चिह्नित करने के लिए किया जा सकता है।

टीयर्स ऑफ़ वाइन

13.5% एल्कोहल सामग्री वाले वाइन के इस गिलास की छाया में टीयर्स ऑफ़ वाइन स्पष्ट रूप से दिखाई देते हैं

एक उदाहरण के रूप में, वाइन "टीयर्स ऑफ़ वाइन" के नाम से ज्ञात एक दृश्य प्रभाव प्रदर्शित कर सकती है। यह प्रभाव इस तथ्य के परिणामस्वरूप होता है कि एल्कोहल का पृष्ठ तनाव जल से कम होता है और इसकी वाष्पशीलता जल से अधिक होती है। जल/एलकोहॉल विलयन कांच की सतह पर उठता है जिससे कांच की पृष्ठ ऊर्जा कम होती है। एलकोहॉल वाष्पित हो जाता है और उच्च सतह तनाव (अधिक जल, कम एल्कोहल) वाला तरल पदार्थ पीछे छूट जाता है (अधिक जल, कम एलकोहॉल)। इस अल्कोहल की कम मात्रा वाले क्षेत्र (अधिक पृष्ठ तनाव वाला) को उन चारों ओर के द्रव की ओर से अधिक बल से खींचा जाता है जितना कि उस खास क्षेत्र में अधिक एल्कोहल की मात्रा (कांच के नीचे की ओर) होती है। परिणामस्वरूप द्रव खींचा जाता है जब तक उसका अपना वजन प्रभाव के बल से अधिक नहीं हो जाता है, और द्रव वास्त्रागार की दीवारों पर पुनः गिरता है। इसे सरलता से दिखाया जा सकता है जब किसी समतल सतह पर जल की पतली फिल्म फैलाई जाती है और फिर फिल्म के केंद्र में एल्कोहल की एक बूंद गिराई जाती है। जिस क्षेत्र में एलकोहॉल की बूंद गिरी थी, वहां से तरल तेजी से बाहर निकल जाएगा।

परिघटनाओं के अभिगमन के लिए महत्व

Further information: अभिगमन परिघटना

पृथ्वी की परिस्थितियों में, द्रव/तरल इंटरफेस के साथ तापमान प्रवणता वाले निकाय में प्राकृतिक संवहन उत्पन्न करने वाला गुरुत्वाकर्षण का प्रभाव सामान्यतः मारांगोनी प्रभाव से कहीं अधिक प्रबल होता है। गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव के बिना मारंगोनी प्रभाव का निरीक्षण करने के लिए परिज्ञापी (साउंडिंग) रॉकेट पर माइक्रोग्रैविटी स्थितियों के अंतर्गत कई प्रयोग (ईएसए मेसर 1-3) किए गए हैं। अंतर्राष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन पर किए गए ताप पाइपों पर किए गए शोध से पता चला है कि पृथ्वी पर तापमान प्रवणता के संपर्क में आने से ताप पाइप एक छोर पर आंतरिक तरल पदार्थ को वाष्पित कर देते हैं और पाइप के साथ स्थानांतरित हो जाते हैं, इस प्रकार गर्म छोर को शुष्क कर देता है, अंतरिक्ष (जहां गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव की उपेक्षा की जा सकता है) में इसका व्युत्क्रम होता है और पाइप का गर्म छोर तरल से भर जाता है। यह केशिका क्रिया के साथ-साथ मारांगोनी प्रभाव के कारण है। केशिका क्रिया द्वारा द्रव को ट्यूब के गर्म सिरे तक खींचा जाता है। लेकिन तरल का बड़ा भाग अभी भी ट्यूब के सबसे गर्म भाग से थोड़ी दूरी पर एक बूंद के रूप में समाप्त हो जाता है, जिसे मारांगोनी प्रवाह द्वारा समझाया गया है। अक्षीय और रेडियल दिशाओं में तापमान प्रवणता द्रव को गर्म सिरे और ट्यूब की दीवारों से दूर केंद्र अक्ष की ओर प्रवाहित करती है। तरल ट्यूब की दीवारों के साथ छोटे से संपर्क क्षेत्र के साथ एक छोटी बूंद बनाता है, ठंडी बूंद और गर्म सिरे पर तरल के बीच एक पतली फिल्म घूर्णन करती है।

गैस बुलबुलों की उपस्थिति में उष्मीय संचरण पर मारांगोनी प्रभाव का प्रभाव (उदाहरण के रूप में, उपशीतलित न्यूक्लियेट उबलने में) को पहले से ही उपेक्षित किया गया है, लेकिन यह वर्तमान में क्वथनांक में गर्मी संचरण की समझ के लिए इसके संभावित मूलभूत महत्व के कारण चल रहे अनुसंधान हित का विषय है।

उदाहरण और अनुप्रयोग

सोप फिल्म्स का एक परिचित उदाहरण: मारांगोनी प्रभाव साबुनी फिल्मों को संतुलित करता है। मारांगोनी प्रभाव एक अन्य उदाहरण तापक सेलों, जिन्हें बेनार्ड सेल कहा जाता है, के वास्तव में दिखाई देती है।

मारांगोनी प्रभाव का एक महत्वपूर्ण उपयोग यह है की सिलिकॉन वेफर्स को एकीकृत परिपथ के निर्माण के दौरान नम प्रसंस्करण के बाद शुष्क करने के लिए किया जाता है। वेफर सतह पर शेष रह गए तरल धब्बे वेफर पर ऑक्सीकरण का कारण बन सकते हैं जो वेफर पर अवयवों को क्षारण कर सकते हैं। धब्बों से बचने के लिए, एक इथानॉल वाष्प (आईपीए) या अन्य संयंत्रित यौगिक गैस, वाष्प या एयरोसोल रूप में एक नोजल के माध्यम से नम वेफर सतह पर धमनीत की जाती है (या जब वेफर को तन्मयता बाथ से उठाया जाता है, अतः सफाई तरल और वेफर के बीच मेनिस्कस बनता है), और इसके पश्चात मारांगोनी प्रभाव तरल में पृष्ठ-तनाव विभिन्नता का कारण बनाता है जो गुरुत्वाकर्षण को पूरी तरह से वेफर सतह से छोड़ने की अनुमति देता है, जिससे शुष्क वेफर सतह शेष रह जाती है।

क्रमित सरणियों में स्व-इकट्ठे नैनोकणों के लिए एक समान घटना का रचनात्मक उपयोग किया गया है और क्रमबद्ध नैनोट्यूब को विकसित करने के लिए है। नैनोकणों युक्त एलकोहॉल क्रियाधार पर प्रसारित होती है, इसके बाद क्रियाधार पर आद्र हवा प्रवाहित होती है। प्रवाह के अंतर्गत एलकोहॉल वाष्पित हो जाता है। परिणामस्वरूप, जल संघनित होकर क्रियाधार पर सूक्ष्म बूंदें बनाता है। इसके बीच, एलकोहॉल में नैनोकणों को सूक्ष्म बूंदों में स्थानांतरित किया जाता है और अंत में शुष्क होने के बाद क्रियाधार पर कई कॉफी रिंग बनाते हैं।

एक अन्य अनुप्रयोग छोटे पैमाने पर पृष्ठ तनाव प्रभावों की प्रासंगिकता का लाभ उठाते हुए कणों में हेरफेर करना है। अवरक्त लेज़र का उपयोग करके वायु-जल इंटरफेस को स्थानीय रूप से गर्म करके एक नियंत्रित तापीय-केशिका संवहन बनाया जाता है। फिर, इस प्रवाह का उपयोग स्थिति और अभिविन्यास दोनों में अस्थिर वस्तुओं को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है और शीयरियोस प्रभाव से लाभ उठाते हुए अस्थिर वस्तुओं की स्वयं-संयोजन को प्रेरित कर सकता है।

मारांगोनी प्रभाव वेल्डिंग, क्रिस्टल विकास और धातुओं के इलेक्ट्रॉन बीम विगलन के क्षेत्र में भी महत्वपूर्ण है।

यह भी देखें

• प्लेट्यू – रेले अस्थिरता — तरल की धारा में अस्थिरता
• डिफ्यूज़ियोस्मोसिस - मारंगोनी प्रभाव इंटरफेशियल मुक्त ऊर्जा में प्रवणता के कारण द्रव/द्रव इंटरफ़ेस पर प्रवाह होता है, द्रव/ठोस इंटरफ़ेस पर एनालॉग डिफ्यूज़ियोस्मोसिस होता है

बाहरी संबंध

• Motoring Oil Drops Physical Review Focus February 22, 2005
• Thin Film Physics, ISS astronaut Don Pettit demonstrate. YouTube-movie.