மேல்நோக்கி நீரூற்று உருவாக்கும் முறை சாத்தியமா?

ஹூஸ்டன் பல்கலைக்கழக பொறியாளர்கள் நீரின் மேற்பரப்பில் லேசர் கற்றைகளை பிரகாசிப்பதன் மூலம் தண்ணீரில் மேல்நோக்கி நீரூற்றுகளை உருவாக்க முடியும் என்று கண்டுபிடித்துள்ளனர். UH-இல் உள்ள மின் மற்றும் கணினி பொறியியல் பேராசிரியர் ஜிமிங் பாவோ மற்றும் அவரது முதுகலை மாணவர் ஃபெங் லின் ஆகியோர் மரங்கோனி விளைவு (Marangoni effect) எனப்படும் ஒரு நிகழ்வுக்கு காரணம் என்று கூறுகிறார்கள். இது வெப்பச்சலனத்தை ஏற்படுத்துகிறது மற்றும் பரப்பு இழுவிசையில் வேறுபாடுகள் இருக்கும்போது நீரின் தன்மையை விளக்குகிறது.

இது பற்றி 1860-களில் முதன்முதலில் விவரிக்கப்பட்டாலும், மரங்கோனி விளைவு இன்னும் அறிவியலுடன் அதன் வழியைக் கொண்டுள்ளது.

“விஞ்ஞான ரீதியில் இதற்கு முன் இதுபோன்ற மேல்நோக்கி உருமாற்றத்தை யாரும் கணிக்கவில்லை, ஏன்? கற்பனை கூட செய்திருக்கவில்லை” என்று மெட்டீரியல்ஸ் டுடே இயற்பியலில் பாவோ தெரிவிக்கிறார். “குறைந்த பரப்பு இழுவிசை கொண்ட பகுதியிலிருந்து வெளிப்புற மரங்கோனி வெப்பச்சலனம் ஒரு திரவத்தின் கட்டுறா மேற்பரப்பை தாழ்த்துகிறது என்பது அனைவரும் அறிந்ததே. இங்கே, இந்த நிறுவப்பட்ட கருத்து மெல்லிய திரவப் படங்களுக்கு மட்டுமே செல்லுபடியாகும். மேற்பரப்பு லேசர் வெப்பத்தைப் பயன்படுத்தி, இது காட்டப்படுகிறது. ஆழமான திரவங்களில், ஒரு லேசர் கற்றை வெவ்வேறு வடிவங்களைக் கொண்ட நீரூற்றுகளை உருவாக்குகிறது, கட்டுறா மேற்பரப்புக்கு மேலே உள்ள திரவத்தை மேலே இழுக்கிறது.”

ஒரு சோதனையை கருதுவோம்: ஒரு கிண்ணத்தில் மிளகைத் தூவி, பின்னர் அதே கிண்ணத்தின் நடுவில் ஒரு துளி திரவ சோப்பு (பாத்திரங்களைக் கழுவுதல், சலவை செய்தல், சோப்பு அல்லது பற்பசையின் ஒரு சிப் கூட) பிழிந்தால், மிளகானது, கிண்ணத்தின் பக்கங்களில் விரைவாகச் சிதறும். அந்த எளிய சோதனை மரங்கோனி விளைவை விளக்குகிறது, இது திரவ இயக்கவியலின் பல பயன்பாடுகளில் தோன்றும்.

மரங்கோனி விளைவின் லேசர் தூண்டப்பட்ட திரவ நீரூற்றுகள், லித்தோகிராபி மற்றும் 3-டி பிரிண்டிங், வெப்ப பரிமாற்றம், படிக வளர்ச்சி மற்றும் அலாய் வெல்டிங், டைனமிக் கிரேட்டிங் மற்றும் இடஞ்சார்ந்த ஒளி போன்ற திரவங்கள் அல்லது மென்மையான விஷயங்களை உள்ளடக்கிய பயன்பாடுகளை பாதிக்கும் திறனைக் கொண்டுள்ளன.

ஒரு ஆழமற்ற திரவத்தில் உள்நோக்கிய மேற்பரப்பு அழுத்தத்தை வெற்றிகரமாக உருவகப்படுத்தி, பாவோ தற்போதைய உருவகப்படுத்துதலில் ஃபெரோ திரவம் ஆழத்தை அதிகரித்தார். ஃபெரோ திரவம் என்பது “மேஜிக்” திரவம் என்று அழைக்கப்படுகிறது. மேலும், இது ஒரு காந்தத்தால் உருவாக்கப்பட்ட வியக்கத்தக்க மேற்பரப்பு கூர்முனைகளுக்கு மிகவும் பிரபலமானது.

“வெவ்வேறு ஆழங்களைக் கொண்ட திரவங்களில் தனித்துவமான மேற்பரப்பு சிதைவைப் புரிந்துகொள்வது மேற்பரப்பு சிதைவு செயல்முறையின் இயக்கவியலை அவிழ்க்க உதவுகிறது” என்று பாவோ கூறினார்.

மரங்கோனி விளைவைத் தூண்டுவதற்கு சீரான மேற்பரப்பு வெப்பநிலை புலத்தை உருவாக்க பாவோ குறைந்த-சக்தி (<1 W) தொடர்ச்சியான-அலை லேசர் கற்றையைப் பயன்படுத்தினார். ஆழமான மற்றும் ஆழமற்ற திரவங்களுக்கு இடையே உள்ள தனித்துவமான சிதைவுகளைப் புரிந்து கொள்ள, லேசர் கற்றையை வைத்து திரவ அடுக்கு தடிமனை மாற்றினார். லேசர் நீரூற்றுகள் மற்றும் மேற்பரப்பு உள்தள்ளலில் இருந்து லேசர் நீரூற்றுக்கு ஆழம் சார்ந்த மாற்றம் ஒருபோதும் பதிவாகவில்லை, ஏனெனில் அவை எந்தவொரு கோட்பாட்டினாலும் எதிர்பார்க்கப்படவில்லை.

“மரங்கோனி ஓட்டத்தால் இயக்கப்படும் மேற்பரப்பு சிதைவைப் புரிந்து கொள்ள பல முயற்சிகள் நடந்துள்ளன என்பதை நாங்கள் வலியுறுத்துகிறோம். ஆனால், தற்போதுள்ள எந்தக் கோட்பாடும் தன்னிச்சையான ஆழம் கொண்ட திரவத்தின் சிதைவு வடிவங்களை நேரடியான முறையில் கணிக்க முடியாது” என்று பாவோ கூறினார்.

References:

• Moghaddam, M. A., Ferre, T., Chen, X., Chen, K., & Ehsani, M. R. (2022). Application of Machine Learning Methods in Inferring Surface Water Groundwater Exchanges using High Temporal Resolution Temperature Measurements. arXiv preprint arXiv:2201.00726.
• Cas, R. A., & Simmons, J. M. (2018). Why deep-water eruptions are so different from subaerial eruptions. Frontiers in Earth Science, 6, 198.
• Gallo, F., & Woods, A. W. (2004). On steady homogeneous sand–water flows in a vertical conduit. Sedimentology, 51(2), 195-210.