Υπερταχέα, αυτο-προωθούμενα σωματίδια

Posted on 26/08/2020

0


Παίρνουμε μια οδοντογλυφίδα και βουτάμε το ένα άκρο της σε υγρό σαπούνι. Στη συνέχεια την αφήνουμε να επιπλεύσει σε μια λεκάνη με νερό. Θα δούμε ότι η οδοντογλυφίδα κινείται προς συγκεκριμένη κατεύθυνση. Τα επιφανειοδραστικά μόρια του σαπουνιού μειώνουν την επιφανειακή τάση και η οδοντογλυφίδα ωθείται μακριά από το διαλυμένο σαπούνι. Αυτό είναι το φαινόμενο Marangoni.
Μπορείτε επίσης να φτιάξετε μια επίπεδη βαρκούλα (όπως στην παραπάνω εικόνα) που ωθείται με «καύσιμο» μικρή ποσότητα σαπουνιού στο ένα άκρο της:

H δύναμη προώθησης σχετίζεται με την βαθμίδα της επιφανειακής τάσης \vec{F} \sim \vec{\nabla} \sigma ή σε μια διάσταση \vec{F} \sim \frac {\partial \sigma }{ \partial x} \hat{x}. H μεταβολή της επιφανειακής τάσης μπορεί να οφείλεται είτε στην διαφορά συγκέντρωσης επιφανειοδραστικών ουσιών, όπως το σαπούνι, είτε στις διαφορές θερμοκρασίας. Η μεταβολή της ταχύτητας που προκαλείται εξαιτίας του φαινομένου Marangoni μπορεί να γίνει εντυπωσιακά μεγάλη και πολλοί ερευνητές πειραματίζονται ακόμα και σήμερα με αυτό το απλό φαινόμενο.  Αποδεικνύεται ότι \Delta v \sim \frac{\Delta \sigma}{\eta} και δεδομένου ότι η επιφανειακή τάση του νερού είναι περίπου 0,07 Ν/m και το ιξώδες του η=10–3 Pa∙s, βλέπουμε (πολύ χονδρικά) ότι η μεταβολή της ταχύτητας \Delta v μπορεί να φτάσει έως και μέτρα ανά δευτερόλεπτο.

Ας αφήσουμε τις βαρκούλες και ας πάμε στα μικροσκοπικά σωματίδια που επιταχύνονται σε ρευστό εξαιτίας των μεταβολών της επιφανειακής τάσης που δημιουργούν τα ίδια. Τα σωματίδια αυτά ονομάζονται Marangoni σέρφερς. Για να κατανοηθεί η δυναμική αυτής της μορφής «ενεργού ύλης», ο Kilian Dietrich από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Ζυρίχης και οι συνεργάτες του, διερεύνησαν το πως οι σέρφερς Marangoni δημιουργούν κλίση της επιφανειακής τάσης εξαιτίας των μεταβολών της θερμοκρασίας ή των μεταβολών συγκεντρώσεων επιφανειοδραστικών ουσιών (λάδι σε νερό). Μελέτησαν επίσης το πως συνδυάζονται αυτά τα δύο αίτια σε μικροκλίμακα και το πως καθορίζουν την ταχύτητα των σωματιδίων. Για τον λόγο αυτό κατασκεύασαν και πειραματίστηκαν με σωματίδια-σέρφερς σε κλίμακα μικρομέτρου που κινούνταν με ταχύτητες έως και μερικών εκατοστών – ή περίπου 10.000 μήκη σφαιριδίων – ανά δευτερόλεπτο.

Οι Marangoni σέρφερς που δημιούργησε ο Kilian Dietrich και οι συνεργάτες του ενεργοποιούνται θερμικά, που σημαίνει ότι οι κλίσεις της επιφανειακής τάσης δημιουργούνται από ανομοιομορφίες στην θερμοκρασία του υγρού. Kάθε σωματίδιο-σέρφερ είναι μια σφαίρα από διοξείδιο του πυριτίου (silica) ακτίνας 3,15μm της οποίας το ένα ημισφαίριο είναι επικαλυμμένο με ένα λεπτό στρώμα χρυσού (σωματίδια Janus).

Όταν οι ερευνητές φώτιζαν με ένα λέιζερ το σφαιρίδιο η καλυμμένη χρυσό πλευρά θερμαίνονταν περισσότερο. Η υψηλότερη θερμοκρασία μείωνε την επιφανειακή τάση του υγρού στην πλευρά του χρυσού και το σωματίδιο ωθούνταν προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αν και οι μεταβολές της θερμοκρασίας είναι αυτές που ωθούν το σωματίδιο, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι μεταβολές στη συγκέντρωση των επιφανειοδραστικών ουσιών αντιτίθενται στην εξελισσόμενη κίνηση του σωματιδίου. Ο Marangoni σέρφερ κατά την κίνησή του δημιουργεί «απόνερα» στα οποία η συγκέντρωση του επιφανειοδραστικού είναι χαμηλότερη – και επομένως η επιφανειακή τάση είναι υψηλότερη. Τελικά, τα ανταγωνιστικά αποτελέσματα των δυο αντίθετων αιτίων καθορίζουν την ταχύτητα του σωματιδίου.
Οι ταχύτητες των σωματιδίων εκτείνονται σε τέσσερις τάξεις μεγέθους, από μm/s έως cm/s, ανάλογα με την ισχύ του λέιζερ και την συγκέντρωση της επιφανειοδραστικής ουσίας.

Διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες:
1. Ultrafast, Self-Propelled Particles
2. Microscale Marangoni Surfers

Click to access 2005.06811.pdf