اكتشاف نموذج رياضي جديد يُفسِّر تأثير مارانجوني « Marangoni Effect»

هل سبق لك أن شاهدت تلك الدوامات المتلونة كقوس قزح على فقاعات الصابون؟ ما التفسير الفيزيائي لهذه الظاهرة الغريبة؟ تلك الدوامات هي ظاهرة بصرية ناتجة عن تأثير مارانجوني « Marangoni Effect» .

تأثير مارانجوني هو ظاهرة انتقال الحرارة والكتلة إلى المناطق ذات التوتر السطحي العالي داخل السائل. التوتر السطحي هو خاصية للسائل يتسبب في جذب الجزء السطحي من السائل إلى سطح آخر، مثل قطرة الزئبق الموجودة على شكل كرة متماسكة في مقياس درجة الحرارة.يُعد تأثير مارانجوني مسؤولًا عن العديد من الظواهر التي ترتبط بالتوتر السطحي، لعل أبرزها ظاهرة تشكًُل دموع النبيذ وهي عبارة عن حلقة مكونة من سائل شفاف بالقرب من الحافة العلوية الداخلية لكأس النبيذ تتكون فيها باستمرار قطراتٌ -كالدموع-، تسقط مرة أخرى إلى إلى أسفل كأس النبيذ ويرجع هذا التأثير إلى حقيقة أن الكحول يحتوي على توتر سطحي أقل من الماء وقابلية تبخر أعلى من الماء.سُميت هذه الظاهرة باسم الفيزيائي الإيطالي «كارلو مارانجوني -Carlo Marangoni» الذي درس هذه الظاهرة لأول مرة في القرن التاسع عشر.

ومن التجارب ذات السلوك الغريب أيضًا، عند إدخال شوائب غير قابلة للذوبان على سطح حاوية مَمْلُوءَة بالماء ومعرَّضة لتأثير مارانجوني، فإن تلك الشوائب يتم سحبها على الفور إلى جانب حاوية الماء على شكل تدفقات. وهذا بدوره يخلق تدرج في التوتر السطحي مما يجعل السطح مرنًا. هذه التدفقات من الناحية النظرية مفهومة لكنها لا تزال غير متوافقة تمامًا مع الملاحظات التجريبية لتأثير مارانجوني. في دراسة جديدة نشرت في مجلة «EPJE»، اكتشف الباحث «توماس بيكل -Thomas Bickel» من جامعة “بوردو” في فرنسا قوانين رياضية جديدة تحكم خصائص تدفقات مارانجوني.

تطبيقات تأثير مارانجوني

يُستَفادُ من تأثير مارانجوني في العديد من التطبيقات، على سبيل المثال في اللحام وصناعة الكمبيوتر حيث يستخدم في في سياق تجفيف رقائق السيليكون أثناء تصنيع الدوائر المتكاملة. وجد “بيكل” أنه في حالة استخدام مياه أكثر عمقًا، فإن المنطقة التي يتم فيها إزالة الشوائب تتناقص في الحجم مع زيادة مرونة السطح. خارج هذه المنطقة، يتم إلغاء تدفقات مارانجوني بواسطة التدفقات المضادة الناتجة عن الشوائب، مما يعني أن المائع يصبح ثابتًا. ويمكن أن تختفي المنطقة إذا كانت مرونة السطح كبيرة للغاية، وفي هذه الحالة يصبح تركيز الشوائب على الواجهة ثابتًا. علاوةً على ذلك، تصبح حدود المنطقة غير واضحة في المياه الضحلة. اكتشف “بيكل” هذه الآليات من خلال الاشتقاقات الرياضية، بدءًا من الخصائص المعروفة لتدفقات مارانجوني. ثم قام بدمج متغيرات إضافية مثل عمق الماء وتركيز الشوائب، وحسب تأثيرها على النظام العام. أظهرت أبحاث بيكل أنه حتى في تجارب الفيزياء القديمة والمدروسة جيدًا، لا يزال التحليل الرياضي يكشف عن عمليات جديدة.

المصادر:

Science Daily

NASA

يمكنك مشاهدة هذه الظاهرة من خلال هذا الفيديو: