休斯顿大学的两位工程师发现,他们可以通过将激光束照射在水面上,在水中创造出向上的喷泉。密歇根大学电子与计算机工程教授鲍继明(jimming Bao)和他的博士后学生林峰(Feng Lin)将这一发现归因于一种被称为马兰戈尼效应的现象,这种现象会导致对流,并解释了当表面张力存在差异时水的行为。
尽管马兰戈尼效应最早是在19世纪60年代被描述出来的,但它至今仍在科学界占有一席之地。
“从科学上讲,以前没有人预测或想象过这种向上的变形,”鲍在报告中说今日材料物理学.“众所周知,从低表面张力区域向外的马兰戈尼对流会使液体的自由表面凹陷。在这里,我们报告说,这种既定的感知仅适用于薄的液体薄膜。通过表面激光加热,我们发现在深层液体中,激光束将液体拉到自由表面上方,产生不同形状的喷泉。”
这是马兰戈尼的视觉效果:在一碗水中撒一些胡椒粉。然后在碗中央挤一滴洗洁精(洗洁精、洗衣液、甚至一小片肥皂或牙膏),观察胡椒的扩散,迅速扩散到碗的四周。这个简单的实验说明了马兰戈尼效应,它出现在流体动力学的许多应用中。
最近,马兰戈尼效应的激光诱导液体喷泉有可能影响涉及液体或软物质的应用,如光刻和3D打印、传热和质量传递、晶体生长和合金焊接、动态光栅和空间光调制、微流体和自适应光学。
受他之前成功模拟浅层液体向内表面凹陷的工作启发,Bao在当前的模拟中增加了铁磁流体的深度。铁磁流体是一种所谓的“神奇”液体,以其由磁铁产生的惊人的表面尖峰而闻名。
“了解不同深度液体中不同的表面变形有助于揭示表面变形过程的动力学,”鲍说。
Bao使用低功率(< 1w)连续波激光束创造了一个不均匀的表面温度场来诱导马兰戈尼效应。为了理解深层和浅层液体之间的不同变形,他在保持激光束不变的情况下改变了液体层的厚度。
激光喷泉和从表面压痕到激光喷泉的深度依赖转变从未在文献中报道过,可能是因为任何现有理论都没有预料到它们。
鲍说:“我们强调,已经有很多尝试来理解马兰戈尼流驱动的表面变形,但是没有现有的理论可以直接预测任意深度液体的变形模式。”
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