カリフォルニア大学のエンジニアが深海に上向きの噴水を作成する方法を発見

レーザーでできた噴水、原因はマランゴニ効果

ローリー・フィックマン 713-743-8454

2022 年 1 月 18 日

ヒューストン大学のエンジニア 2 人は、水面にレーザー光線を照射することで、水中に上向きの噴水を作り出すことができることを発見しました。 カリフォルニア大学電気工学・コンピュータ工学教授のジミン・バオ氏と博士研究員のフェン・リン氏は、この発見はマランゴニ効果として知られる現象によるものだと考えている。マランゴニ効果は対流を引き起こし、表面張力の違いが存在する場合の水の挙動を説明するものである。

マランゴニ効果は 1860 年代に初めて説明されましたが、今でも科学に影響を及ぼしています。

「科学的には、これまでこの種の上向き変形を予測したり想像した人は誰もいませんでした」と Bao 氏は Materials Today Physics で報告しています。 「低表面張力領域からの外向きのマランゴニ対流により、液体の自由表面が凹むことはよく知られています。 ここでは、この確立された認識が薄い液体膜に対してのみ有効であることを報告します。 表面レーザー加熱を使用して、深い液体ではレーザービームが自由表面の上に液体を引き上げ、さまざまな形の噴水を生成することを示しました。」

マランゴニのビジュアルは次のとおりです。水の入ったボウルに大量のコショウを振りかけます。 次に、同じボウルの中央に液体洗剤（食器洗い、洗濯、石鹸や歯磨き粉のチップでも）を 1 滴絞り、コショウが飛び散り、ボウルの側面に素早く飛び散るのを観察します。 この単純な実験は、流体力学の多くの応用に現れるマランゴニ効果を示しています。

最近の具体化では、マランゴニ効果のレーザー誘起液体噴水は、リソグラフィーと 3D プリンティング、熱伝達と物質輸送、結晶成長と合金溶接、動的回折格子と空間光変調などの液体または柔らかい物質を含むアプリケーションに影響を与える可能性があります。マイクロ流体工学と補償光学。

Bao 氏は、浅い液体における内向きの表面陥没のシミュレーションに成功した以前の研究に触発され、今回のシミュレーションでは磁性流体の深さを増やしました。 磁性流体はいわゆる「魔法の」液体であり、磁石によって生成される驚くべき表面のスパイクで最もよく知られています。

「深さの異なる液体における明確な表面変形を理解することは、表面変形プロセスのダイナミクスを解明するのに役立ちます」とバオ氏は述べています。

Bao 氏は、低出力 (1 W 未満) の連続波レーザー ビームを使用して、不均一な表面温度場を生成し、マランゴニ効果を誘発しました。 深い液体と浅い液体の間の明確な変形を理解するために、彼はレーザービームを同じに保ちながら液体の層の厚さを変化させました。 レーザー噴水と、表面のくぼみからレーザー噴水への深さ依存の遷移は、おそらく既存の理論で予想されていないため、文献で報告されたことはありません。

「マランゴニ流による表面変形を理解しようとする多くの試みがなされてきたことを強調しますが、既存の理論では任意の深さの液体の変形パターンを直接的な方法で予測することはできません」とバオ氏は述べた。