मारंगोनी प्रभाव

मारंगोनी प्रभाव का प्रायोगिक प्रदर्शन। बाईं डिश में पानी की सतह पर काली मिर्च छिड़का जाता है; जब उस पानी में साबुन की एक बूंद डाली जाती है, तो काली मिर्च के कण तेजी से बाहर की ओर निकल जाते हैं।

मारांगोनी प्रभाव (जिसे गिब्स-मारंगोनी प्रभाव भी कहा जाता है) सतह के 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। 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। 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 है (Work done)

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

के लिए $\gamma _{\rm {w}}$ पानी का पृष्ठ तनाव, $\gamma _{\rm {s}}$, पृष्ठसक्रियकारक से ढके पानी की सतह का (निचला) सतही तनाव, $\mu$ पानी की चिपचिपाहट, और $\rho$ पानी का द्रव्यमान घनत्व। के लिए $(\gamma _{\rm {w}}-\gamma _{\rm {s}})\approx 10^{-2}$ एन / एम, यानी, पानी की सतह के तनाव में और पानी के लिए आदेश दस प्रतिशत की कमी $(\mu \rho )\sim 1$ एन एम^-6एस³, हम ऊपर दूसरी समानता प्राप्त करते हैं। यह गति प्रदान करता है जो सर्फेक्टेंट-कवर क्षेत्र के बढ़ने के साथ घटता है, लेकिन क्रम सेमी/एस से मिमी/एस तक होता है।

समीकरण को कुछ सरल सन्निकटन बनाकर प्राप्त किया जाता है, पहला सतह पर तनाव को चिपचिपा तनाव (जो प्रवाह का विरोध करता है) के साथ सर्फैक्टेंट (जो मारंगोनी प्रवाह को चलाता है) के एकाग्रता ढाल के कारण होता है। मारांगोनी तनाव $\sim (\partial \gamma /\partial r)$, यानी, सर्फैक्टेंट एकाग्रता में ढाल के कारण सतही तनाव में ढाल (विस्तारित पैच के केंद्र में उच्च से, पैच से शून्य दूर तक)। चिपचिपा कतरनी तनाव बस चिपचिपाहट के समय कतरनी वेग में ढाल है $\sim \mu (u/l)$, के लिए $l$ फैलने वाले पैच के कारण प्रवाह के पानी में गहराई। रोचे और सहकर्मीमान लें कि संवेग (जो रेडियल रूप से निर्देशित है) फैलने के दौरान तरल में नीचे फैलता है, और इसलिए जब पैच एक त्रिज्या तक पहुंच जाता है $r$, $l\sim (\nu r/u)^{1/2}$, के लिए $\nu =\mu /\rho$ श्यानता, जो द्रव में संवेग के लिए विसरण स्थिरांक है। दो तनावों की बराबरी करना

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

जहां हमने ढाल का अनुमान लगाया $(\partial \gamma /\partial r)\approx (\gamma _{\rm {w}}-\gamma _{\rm {s}})/r$. दोनों पक्षों की 2/3 शक्ति लेने से ऊपर का व्यंजक प्राप्त होता है।

मारंगोनी संख्या, एक आयाम रहित मान, सतह तनाव और चिपचिपी ताकतों के सापेक्ष प्रभावों को चिह्नित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

शराब के आंसू

13.5% अल्कोहल की मात्रा वाले इस ग्लास वाइन की छाया में वाइन के आंसू स्पष्ट रूप से दिखाई देते हैं

एक उदाहरण के रूप में, शराब एक दृश्य प्रभाव प्रदर्शित कर सकती है जिसे शराब के आँसू कहा जाता है। प्रभाव इस तथ्य का परिणाम है कि अल्कोहल में पानी की तुलना में कम सतह तनाव और उच्च अस्थिरता होती है। पानी/अल्कोहल का घोल कांच की सतह की ऊर्जा को कम करके कांच की सतह को ऊपर उठाता है। शराब उच्च सतह तनाव (अधिक पानी, कम शराब) के साथ तरल को पीछे छोड़ते हुए फिल्म से वाष्पित हो जाती है। अल्कोहल की कम सांद्रता वाला यह क्षेत्र (अधिक सतह तनाव) उच्च अल्कोहल सांद्रता वाले क्षेत्रों (ग्लास में कम) की तुलना में आसपास के तरल पदार्थ को अधिक मजबूती से खींचता है। इसका परिणाम यह होता है कि तरल को तब तक ऊपर खींचा जाता है जब तक कि उसका स्वयं का वजन प्रभाव के बल से अधिक न हो जाए, और तरल बर्तन की दीवारों पर वापस टपकने लगता है। इसे एक चिकनी सतह पर पानी की एक पतली फिल्म फैलाकर और फिर फिल्म के केंद्र पर शराब की एक बूंद गिरने देकर भी आसानी से प्रदर्शित किया जा सकता है। तरल उस क्षेत्र से बाहर निकल जाएगा जहां शराब की बूंद गिरी थी।

परिघटनाओं के परिवहन के लिए महत्व

Further information: Transport phenomena

पृथ्वी की स्थितियों के तहत, एक द्रव/द्रव इंटरफ़ेस के साथ एक तापमान ढाल के साथ एक प्रणाली में प्राकृतिक संवहन पैदा करने वाले गुरुत्वाकर्षण का प्रभाव आमतौर पर मारांगोनी प्रभाव से अधिक मजबूत होता है। गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव के बिना मारांगोनी प्रभाव का निरीक्षण करने के लिए ध्वनि रॉकेट पर माइक्रो-जी पर्यावरण के तहत कई प्रयोग (ESA MASER 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 वाले ताप पाइपों के कारण आंतरिक द्रव एक छोर पर वाष्पित हो जाता है और पाइप के साथ पलायन कर जाता है, इस प्रकार अंतरिक्ष में गर्म अंत सूख जाता है (जहां के प्रभाव गुरुत्वाकर्षण को नजरअंदाज किया जा सकता है) विपरीत होता है और पाइप का गर्म सिरा तरल से भर जाता है। यह केशिका क्रिया के साथ-साथ मारंगोनी प्रभाव के कारण है। केशिका क्रिया द्वारा द्रव को ट्यूब के गर्म सिरे तक खींचा जाता है। लेकिन तरल का बड़ा हिस्सा अभी भी ट्यूब के सबसे गर्म हिस्से से थोड़ी दूरी पर एक बूंद के रूप में समाप्त होता है, जिसे मारंगोनी प्रवाह द्वारा समझाया गया है। अक्षीय और रेडियल दिशाओं में तापमान प्रवणता द्रव को गर्म अंत और ट्यूब की दीवारों से केंद्र अक्ष की ओर प्रवाहित करती है। तरल ट्यूब की दीवारों के साथ एक छोटे से संपर्क क्षेत्र के साथ एक छोटी बूंद बनाता है, कूलर की छोटी बूंद और गर्म अंत में तरल के बीच तरल परिसंचारी एक पतली फिल्म होती है।

हीटिंग सतह पर गैस के बुलबुले की उपस्थिति में गर्मी हस्तांतरण पर मारांगोनी प्रभाव का प्रभाव (उदाहरण के लिए, सबकूल्ड न्यूक्लियेट उबलते में) को लंबे समय से नजरअंदाज कर दिया गया है, लेकिन यह वर्तमान में चल रहे शोध के हित का विषय है क्योंकि इसके संभावित मौलिक महत्व के लिए उबालने में ऊष्मा के स्थानांतरण की समझ।

उदाहरण और आवेदन

एक परिचित उदाहरण साबुन फिल्मों में है: मारांगोनी प्रभाव साबुन फिल्मों को स्थिर करता है। मारांगोनी प्रभाव का एक अन्य उदाहरण संवहन कोशिकाओं, तथाकथित बेनार्ड कोशिकाओं के व्यवहार में प्रकट होता है।

मारांगोनी प्रभाव का एक महत्वपूर्ण अनुप्रयोग एकीकृत सर्किट के निर्माण के दौरान गीले प्रसंस्करण चरण के बाद सिलिकॉन वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) को सुखाने के लिए उपयोग होता है। वेफर सतह पर छोड़े गए तरल धब्बे ऑक्सीकरण का कारण बन सकते हैं जो वेफर पर घटकों को नुकसान पहुंचाते हैं। स्पॉटिंग से बचने के लिए, एक अल्कोहल (रसायन विज्ञान) वाष्प (IPA) या गैस, वाष्प, या एरोसोल के रूप में अन्य कार्बनिक यौगिक गीली वेफर सतह पर एक नोजल के माध्यम से उड़ाए जाते हैं (या वेफर के रूप में सफाई तरल और वेफर के बीच बने मेनिस्कस पर) एक विसर्जन स्नान से उठाया जाता है), और बाद के मारांगोनी प्रभाव तरल में सतह-तनाव प्रवणता का कारण बनता है जिससे गुरुत्वाकर्षण अधिक आसानी से तरल को वेफर सतह से पूरी तरह से खींच लेता है, प्रभावी रूप से एक सूखी वेफर सतह को छोड़ देता है।

इसी तरह की घटना को रचनात्मक रूप से नैनोकणों को क्रमबद्ध सरणियों में आत्म-इकट्ठा करने के लिए उपयोग किया गया है और आदेशित नैनोट्यूब विकसित करने के लिए। नैनोकणों से युक्त अल्कोहल सब्सट्रेट पर फैल जाता है, इसके बाद सब्सट्रेट पर नम हवा चलती है। प्रवाह के तहत शराब वाष्पित हो जाती है। इसके साथ ही, पानी संघनित होता है और सब्सट्रेट पर माइक्रोड्रॉपलेट बनाता है। इस बीच, शराब में नैनोकणों को माइक्रोड्रॉपलेट्स में स्थानांतरित कर दिया जाता है और अंत में सुखाने के बाद सब्सट्रेट पर कई कॉफी रिंग प्रभाव बनाते हैं।

एक अन्य अनुप्रयोग कणों का हेरफेर है छोटे पैमाने पर सतही तनाव प्रभाव की प्रासंगिकता का लाभ उठाते हुए। इन्फ्रारेड लेज़र का उपयोग करके स्थानीय रूप से वायु-जल इंटरफ़ेस को गर्म करके एक नियंत्रित थर्मो-केशिका संवहन बनाया जाता है। फिर, इस प्रवाह का उपयोग फ़्लोटिंग ऑब्जेक्ट्स को स्थिति और अभिविन्यास दोनों में नियंत्रित करने के लिए किया जाता है और चीयरियोस प्रभाव से लाभान्वित होने वाली फ़्लोटिंग ऑब्जेक्ट्स की स्व विधानसभा को संकेत दे सकता है।

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

यह भी देखें

• पठार-रेले अस्थिरता - तरल की एक धारा में अस्थिरता
• डिफ्यूसियोफोरेसिस और डिफ्यूसियोस्मोसिस - मारांगोनी प्रभाव एक द्रव/द्रव इंटरफ़ेस पर प्रवाहित होता है, जो कि इंटरफेशियल मुक्त ऊर्जा में एक ढाल के कारण होता है, द्रव/ठोस इंटरफ़ेस पर एनालॉग डिफ्यूसियोस्मोसिस होता है

बाहरी संबंध

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