Das Team um Professor Anderson Ho Cheung Shum vom Department of Mechanical Engineering der University of Hong Kong (HKU) hat einen entscheidenden Durchbruch in der Fluiddynamik erzielt, indem es ein dreidimensionales Marangoni-Transportsystem in einem wässrigen Zweiphasensystem entwickelt hat. Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit Professor Neil Ribe von der Universität Paris-Saclay durchgeführt.
Der Marangoni-Effekt hat aufgrund seiner grundlegenden Rolle bei zahlreichen gerichteten Flüssigkeitstransportprozessen in der Natur seit seiner ersten Identifizierung durch James Thomson im Jahr 1855 und der anschließenden Untersuchung durch Carlo Marangoni beträchtliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die Untersuchung des solutalen Marangoni-Effekts hat in den letzten Jahren mit einem besonderen Interesse an der Marangoni-getriebenen Ausbreitung von Flüssigkeiten und den daraus resultierenden Mustern sowie der Marangoni-Konvektion in der Volumenflüssigkeit floriert. Diese berichteten Transportprozesse sind jedoch meist zweidimensional.
Das Team von Professor Shum hat eine neue Art von kontinuierlichem Marangoni-Transportsystem entwickelt, das auf Marangoni-getriebener Ausbreitung und Marangoni-Konvektion basiert. Die Wechselwirkung zwischen einem Salz (CaCl2) und einem anionischen Tensid (Natriumdodecylbenzolsulfonat) erzeugt Oberflächenspannungsgradienten, die den Transportprozess antreiben.
Dieser dreidimensionale Marangoni-Transport besteht aus der Aufwärtsübertragung eines Filaments von einem Tröpfchen, das sich am Boden einer Massenlösung befindet, dem Aufwickeln des Filaments nahe der Oberfläche und der Bildung von Fermats Spiralmustern auf der Oberfläche.
Marangoni-Transportsystem. Kredit: Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-34368-5
Das System besteht aus wässrigen Lösungen von Polyethylenglycol (PEG) und Dextran (DEX), die zur Klasse der wässrigen Zweiphasensysteme gehören, die aufgrund ihrer Einfachheit und Biokompatibilität auf wachsendes Interesse gestoßen sind.
„Die Verwendung eines wässrigen Zweiphasensystems kann einerseits einen kontinuierlichen Salztransfer zwischen dem Tröpfchen und der Hauptlösung aufrechterhalten, während es andererseits möglicherweise einige biologische Anwendungen inspirieren kann“, sagte Dr. Yang Xiao, der Erstautor dieser Arbeit und Postdoktorand in der Gruppe von Professor Shum.
Das System befindet sich aufgrund der Übertragung von CaCl2 in einem Nichtgleichgewichtszustand, doch interessanterweise sind die Ergebnisse hochgeordnete Fermat-Spiralmuster. „Der automatische Materialtransport vom Tröpfchen in der Bulk-Lösung zur Luft-Wasser-Oberfläche erfolgt auf hochgeordnete Weise. Dieses Merkmal kann die Entwicklung neuartiger Methoden zur Faserherstellung durch Nutzung von Nichtgleichgewichtssystemen anregen“, fügte Professor Shum hinzu.
Die Entdeckung wurde jetzt in veröffentlicht Naturkommunikation.
Mehr Informationen:
Yang Xiao et al., Erzeugung von Fermat-Spiralmustern durch solutal Marangoni-getriebenes Wickeln in einem wässrigen Zweiphasensystem, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-34368-5