UH 엔지니어, 심해에서 상향 분수를 만드는 방법 발견

레이저가 만들어낸 분수, 마랑고니 효과가 원인

작성자: Laurie Fickman 713-743-8454

2022년 1월 18일

휴스턴 대학의 엔지니어 두 명이 물 표면에 레이저 빔을 비추면 물 속에서 위로 솟아오르는 분수를 만들 수 있다는 사실을 발견했습니다. UH의 전기 및 컴퓨터 공학 교수인 Jiming Bao와 그의 박사후 과정 학생인 Feng Lin은 이 발견이 대류를 일으키고 표면 장력의 차이가 존재할 때 물의 거동을 설명하는 마랑고니 효과(Marangoni effect)로 알려진 현상에 기인한다고 밝혔습니다.

마랑고니 효과는 1860년대에 처음 기술되었지만 여전히 과학에 영향을 미치고 있습니다.

Bao는 Materials Today Physics에서 “과학적으로 이전에는 이러한 종류의 상향 변형을 예측하거나 상상한 적이 없습니다.”라고 말했습니다. “낮은 표면 장력 영역에서 바깥쪽으로 향하는 마랑고니 대류가 액체의 자유 표면을 눌렀다는 것은 잘 알려져 있습니다. 여기서 우리는 이러한 확립된 인식이 얇은 액체 필름에만 유효하다고 보고합니다. 표면 레이저 가열을 사용하여 우리는 깊은 액체에서 레이저 빔이 자유 표면 위로 유체를 끌어 올려 다양한 모양의 분수를 생성한다는 것을 보여줍니다."

다음은 마랑고니 영상입니다. 물 한 그릇에 후추 한 다발을 뿌립니다. 그런 다음 액체 세제(설거지, 세탁물, 비누나 치약 한 조각) 한 방울을 같은 그릇의 중앙에 짜서 고추가 퍼지고 그릇의 측면으로 빠르게 흩어지는 것을 지켜보십시오. 이 간단한 실험은 유체 역학의 다양한 응용 분야에서 나타나는 마랑고니 효과를 보여줍니다.

가장 최근에 구현된 마랑고니 효과의 레이저 유도 액체 분수는 리소그래피 및 3D 프린팅, 열 전달 및 물질 전달, 결정 성장 및 합금 용접, 동적 격자 및 공간 광 변조와 같은 액체 또는 연성 물질과 관련된 응용 분야에 영향을 미칠 가능성이 있습니다. 미세유체공학과 적응광학.

Bao는 이전 작업인 얕은 액체의 내부 표면 함몰에 대한 성공적인 시뮬레이션에서 영감을 받아 현재 시뮬레이션에서 자성유체의 깊이를 늘렸습니다. 자성유체(Ferrofluid)는 소위 "마법의" 액체이며 자석에 의해 생성되는 놀라운 표면 스파이크로 가장 잘 알려져 있습니다.

Bao는 “깊이가 다른 액체의 뚜렷한 표면 변형을 이해하는 것은 표면 변형 과정의 역학을 밝히는 데 도움이 됩니다.”라고 말했습니다.

Bao는 저전력(<1W) 연속파 레이저 빔을 사용하여 불균일한 표면 온도 장을 생성하여 마랑고니 효과를 유도했습니다. 깊은 액체와 얕은 액체 사이의 뚜렷한 변형을 이해하기 위해 그는 레이저 빔을 동일하게 유지하면서 액체 층 두께를 변경했습니다. 레이저 분수와 표면 압흔에서 레이저 분수로의 깊이 의존적 전환은 문헌에 보고된 적이 없습니다. 아마도 기존 이론에서 예상되지 않았기 때문일 것입니다.

Bao는 "우리는 Marangoni 흐름에 의한 표면 변형을 이해하려는 수많은 시도가 있었지만 기존 이론 중 임의의 깊이를 가진 액체의 변형 패턴을 직접 예측할 수는 없다는 점을 강조합니다."라고 Bao는 말했습니다.