Effetto Marangoni
L’effetto Marangoni, anche chiamato effetto Gibbs-Marangoni, è il trasferimento di massa lungo un’interfaccia tra due fasi dovuto ad un gradiente della tensione superficiale. Nel caso della dipendenza dalla temperatura, questo fenomeno può essere chiamato convezione termocapillare.
Storia modifica
Questo fenomeno è stato identificato per la prima volta nelle cose dette “lacrime di vino” dal fisico James Thompson nel 1855. L’effetto generale è stato chiamato così in onore del fisico italiano Carlo Marangoni, che lo studiò per la sua tesi di dottorato presso l’Università di Pavia e pubblicò i suoi risultati nel 1865. Una trattazione teorica più completa riguardo all’effetto Marangoni fu data da J. Willard Gibbs nella sua opera sull’equilibrio sulle sostanze eterogenee (1875-8).
Il significato del fenomeno del trasporto modifica
Sotto le condizioni della Terra, l’effetto di gravità causante la convezione naturale in un sistema con un gradiente di temperatura lungo un'interfaccia fluido / fluido è di solito molto più forte dell’effetto Marangoni. Molti esperimenti sono stati condotti in condizioni di microgravità a bordo di razzi sonda per osservare l’effetto Marangoni senza l’effetto della gravità. La ricerca sui tubi di calore eseguiti sulla stazione spaziale internazionale ha rivelato che i tubi di calore esposti a un gradiente di temperatura sulla terra fanno evaporare il fluido interno a un’estremità , fluido che migra lungo il tubo, asciugando così l’estremità calda. Nello spazio (dove gli effetti della gravità possono essere ignorati) accade il contrario e l’estremità calda del tubo è inondata di liquido. Ciò è dovuto all’effetto Marangoni, insieme all’azione capillare il fluido viene attirato all’estremità calda del tubo per azione capillare, ma la maggior parte del liquido finisce con una gocciolina a breve distanza dalla parte più calda del tubo, spiegata dal flusso di Marangoni. Il liquido forma una gocciolina con una piccola area di contatto con le pareti del tubo, un film sottile che circola liquido tra la gocciolina più fredda e il liquido all’estremità calda. Il risultato dell’effetto Marangoni sul trasferimento di calore in presenza di bolle di gas sulla superficie di riscaldamento (ad esempio, nell’ebollizione del nucleo sotto raffreddata) è stato a lungo ignorato, ma è attualmente un argomento di interesse di ricerca in corso a causa della sua potenziale importanza fondamentale per la comprensione del trasferimento di calore nell’ebollizione.
Esempi e applicazione modifica
Un esempio familiare sono gli archetti del vino che si formano facendo roteare il vino dentro ad un bicchiere ben pulito: rappresentano una manifestazione dell'effetto Marangoni.
Un altro esempio dell’effetto Marangoni appare al comportamento delle celle di convezione, le così chiamate “cellule di Bernard”. Un’importante applicazione dell’effetto Marangoni è l’utilizzo per l’asciugatura dei wafer di silicio dopo una fase di lavorazione a umido durante la fabbricazione di circuiti integrati. Le macchie liquide lasciate sulla superficie del wafer possono causare ossidazione che danneggia i componenti sul wafer. Per evitare l’individuazione, un vapore alcolico o altri componenti organici in gas, vapori, aerosol viene soffiato attraverso l’anello sopra la superficie del wafer bagnato (o al menisco formato tra il liquido detergente e il wafer mentre il wafer viene sollevato da un bagno di immersione), e il conseguente effetto Marangoni causa un gradiente di tensione superficiale nel liquido permettendo alla gravità di spingere più facilmente il liquido completamente giù dalla superficie del wafer lasciando la superficie del wafer asciutta. Un fenomeno simile è stato creativamente utilizzato per autoassemblare nanoparticelle in vettori ordinati e per far crescere nanotubi ordinati. Un alcool contenente nano particelle è diffuso su substrato, in seguito viene soffiata aria umida su questo.
Un’altra applicazione è la manipolazione delle particelle sfruttando la rilevanza degli effetti di tensione superficiale su piccola scala. Una convezione termo-capillare controllata viene creata riscaldando localmente l’interfaccia aria-acqua utilizzando un laser a infrarossi. Quindi, questo flusso viene utilizzato per controllare gli oggetti galleggianti sia in posizione che in orientamento e può richiedere l’autoassemblaggio di oggetti galleggianti, approfittando dell’effetto Marangoni.
L’effetto Marangoni è importante anche per i campi della saldatura, della crescita dei cristalli e della fusione con fascio di elettroni dei metalli.
Voci correlate modifica
Collegamenti esterni modifica
- (EN) IUPAC Gold Book, "Marangoni effect", su goldbook.iupac.org.
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