Les ingénieurs de l'UH découvrent une méthode pour créer une fontaine d'eau vers le haut en eau profonde

Fontaine créée par des lasers, l'effet Marangoni en est la cause

Par Laurie Fickman 713-743-8454

18 janvier 2022

Deux ingénieurs de l'Université de Houston ont découvert qu'ils pouvaient créer des fontaines ascendantes dans l'eau en projetant des faisceaux laser sur la surface de l'eau. Jiming Bao, professeur de génie électrique et informatique à l'UH, et son étudiant postdoctoral Feng Lin, attribuent cette découverte à un phénomène connu sous le nom d'effet Marangoni, qui provoque la convection et explique le comportement de l'eau lorsqu'il existe des différences de tension superficielle.

Bien que décrit pour la première fois dans les années 1860, l'effet Marangoni fait toujours son chemin dans la science.

"Scientifiquement, personne n'a prédit ou imaginé ce type de déformation vers le haut auparavant", rapporte Bao dans Materials Today Physics. « Il est bien connu qu’une convection de Marangoni vers l’extérieur à partir d’une région de faible tension superficielle entraînera une dépression de la surface libre d’un liquide. Nous rapportons ici que cette perception établie n’est valable que pour les films liquides minces. En utilisant le chauffage laser de surface, nous montrons que dans les liquides profonds, un faisceau laser fait remonter le fluide au-dessus de la surface libre, générant des fontaines de formes différentes.

Voici un visuel Marangoni : Saupoudrez un bouquet de poivre dans un bol d'eau. Ensuite, versez une goutte de détergent liquide (vaisselle, lessive, même un morceau de savon ou de dentifrice) au milieu du même bol et regardez le poivre se disperser rapidement sur les côtés du bol. Cette expérience simple illustre l’effet Marangoni, qui apparaît dans de nombreuses applications de la dynamique des fluides.

Dans leur incarnation la plus récente, les fontaines de liquides induites par laser de l'effet Marangoni ont le potentiel d'avoir un impact sur les applications impliquant des liquides ou des matières molles telles que la lithographie et l'impression 3D, le transfert de chaleur et le transport de masse, la croissance cristalline et le soudage d'alliages, les réseaux dynamiques et la modulation spatiale de la lumière et microfluidique et optique adaptative.

Inspiré par ses travaux précédents, la simulation réussie de la dépression de la surface intérieure dans un liquide peu profond, Bao a augmenté la profondeur du ferrofluide dans la simulation actuelle. Le ferrofluide est un liquide dit « magique » et est surtout connu pour ses étonnantes pointes de surface générées par un aimant.

"Comprendre la déformation de surface distincte dans des liquides de différentes profondeurs aide à comprendre la dynamique du processus de déformation de surface", a déclaré Bao.

Bao a utilisé un faisceau laser à onde continue de faible puissance (<1 W) pour créer un champ de température de surface non uniforme afin d'induire l'effet Marangoni. Pour comprendre les déformations distinctes entre les liquides profonds et peu profonds, il a fait varier l’épaisseur de la couche liquide tout en gardant le même faisceau laser. Les fontaines laser et la transition dépendant de la profondeur entre l'indentation de surface et la fontaine laser n'ont jamais été rapportées dans la littérature, probablement parce qu'elles ne sont anticipées par aucune théorie existante.

"Nous soulignons qu'il y a eu de nombreuses tentatives pour comprendre la déformation de surface provoquée par l'écoulement de Marangoni, mais aucune théorie existante ne peut prédire de manière simple les modèles de déformation d'un liquide avec une profondeur arbitraire", a déclaré Bao.