اثر مارانگونی چیست؟«نویسنده و محقق:جمال عبدالله زاده»

اثر مارانگونی Marangoni effect به پدیده ای می گویند که در آن دو سیال مثل اتانول مایع و کربن دی اکسید گازی وقتی در یک فصل مشترک کنار هم قرار می گیرند و کشش سطحی آنها متفاوت باشد گرادیان کشش سطحی  رخ می دهد و جرم در طول فصل مشترک یا همان مرز دو فاز منتقل می شود.بنابراین اثر مارانگونی پویایی سیستم متشکل از دو فاز در فصل مشترک آنها را بیان می کند و به ما می گوید در فصل مشترک گرادیان کشش سطحی باعث انتقال جرم می شود.منظور از انتقال جرم mass transfer این است که ماده از جایی که پتانسیل شیمیایی بیشتر است به جایی که پتانسیل شیمیایی کمتر است حرکت می کند.این جا یک سوال چالش برانگیز مطرح می شود؛چرا تغییرات کشش سطحی را به صورت گرادیان∇مطرح کرده ایم و از دیفرانسیل معمولی استفاده نکرده ایم؟؟ جواب این سوال این است که از دیدگاه شیمی_ریاضی معادله دیفرانسیل معمولی فقط مقدار کمیت شیمیایی کشش سطحی را برای ما بازگو می کند و چیزی در مورد جهت آن نمی گوید.ولی ما در شیمی به ابزاری ریاضی احتیاج داریم که علاوه بر مقدار،جهت را نیز نشان دهد و توضیح دهد که کشش سطحی surface tensionدر کدام جهت تغییر می کند.قطرات مایع در پدیده مارانگونی می توانند به صورت سطح مقطع یعنی دو بعدی باشند و هم به صورت کروی یعنی سه بعدی باشند.بنابراین فقط گرادیان می تواند آن فضای دوبعدی و سه بعدی قطرات مایع را به تصویر بکشد و توصیف کند.گرادیان∇ به زبان ساده به معنای دیفرانسیل گیری از یک کمیت شیمیایی در سه بعد یا سه جهت x،y وz می باشد و به این شکل نوشته می شود: 

∇f = (∂f/∂x)i + (∂f/∂y)j + (∂f/∂z)kیک نکته مهم در مورد اثر مارانگونی این است که جهت تغییرات کشش سطحی دقیقا برعکس پتانسیل شیمیایی می باشد.جهت پتانسیل شیمیایی از زیاد به کم می باشد ولی جهت تغییرات کشش سطحی از کم به زیاد است و هنگام وقوع اثر مارانگونی همیشه نیروی کشش سطحی افزایش می یابد.بنابراین مایعات به طور طبیعی تمایل دارند که از کشش سطحی پایین به کشش سطحی بالا حرکت کنند. دومین نکته این است که کشش سطحی در کل تابع دما می باشد ولی کشش سطحی می تواند در اثر غلظت نیز تغییر کند بنابراین تغییرات دما(گرادیان دما) و تغییرات غلظت(گرادیان غلظت) هر دو می توانند منشا و ریشه اثر مارانگونی باشند.شیمیدان ها از روی حرکت سیال در فصل مشترک دو فاز متوجه وقوع اثر مارانگونی می شوند.حرکت سیال در واقع پیامد تجربی و ملموس این تغییرات شیمیایی پیچیده و مرموزی است که در فصل مشترک دو سیال رخ می دهد.اثر مارانگونی به وضوح نشان می دهد که شیمی تنها در ماده خلاصه نمی شود بلکه علم حرکت نیز هست و حرکات و جنب و جوش های بسیار کوچک سیالات را نیز از قلم نمی اندازد و آن را به صورت ریاضی فرموله می کند.شیمی به عقیده من علم شارش و جریان کمیت ها از زیاد به کم و یا برعکس می باشد.جالب است که اثر مارانگونی به صورت زنجیروار و پلکانی معلول و نتیجه تغییرات سه کمیت شیمیایی است که همدیگر را تخت تاثیر قرار می دهند و به دنبال هم تغییر می کنند؛ تغییرات غلظت یا دما نقطه آغاز این دومینوی پی در پی شگفت انگیز است و باعث تغییرات پتانسیل شیمیایی می شود و تغییرات پتانسیل شیمیایی نیر نهایتا باعث تغییرات کشش سطحی می شود.همه علل و پیامدها نهایتا رفتار پخش شوندگی و شیوه انتشار سیال را رقم می زند.پژوهش های جدید نشان می دهد که اثر مارانگونی مستقیما بر فرایند چگالش یعنی تبدیل فاز بخار به مایع نیز تاثیر می گذارد.دانشمندان دریافته اند که نرخ انتقال حرارت در قطرات هنگام وقوع اثر مارانگونی نسبت به حالت عادی به شدت تغییر می کند و اختلاف دما در قطرات مایع در فرایند چگالش به صورت همرفت طبیعی و در نتیجه افزایش انتقال حرارت خودش را نشان می دهد.علت این موضوع به زبان ساده این است که اختلاف دما یکی از دلایل مهم وقوع اثر مارانگونی می باشد.یکی دیگر از شواهد تجربی برای وقوع اثر مارانگونی از هم گسیختگی و جدا شدن دو فاز آب و الکل در جام شراب است که توسط دو نابغه ترمودینامیک شیمیایی یعنی لرد کلوین و برادرش جیمز تامسون اولین بار کشف شد.در این پدیده الکل کشش سطحی کمتری دارد و آب نیز کشش سطحی بالاتری دارد و مخلوط این فاز به دو ناحیه تبدیل می شود؛جایی که غلظت آب بیشتر است و به تبع آن کشش سطحی نیز بالاتر است و جایی که غلظت الکل بیشتر است و به تبع آن کشش سطحی نیز کمتر است.به طور طبیعی هنگام پخش شدن یک مایع دارای کشش سطحی بالا روی مایع دیگر  با کشش سطحی پایین تر در فصل مشترک آنها نهایتا به علت قدرت پخش شوندگی بالا در مایع اولی به صورت همگن و منسجم در سراسر مخلوط منتشر می شود و در مایع دومی به طور کامل حل نمی شود و به نوعی انگار پس رانده می شود.چون همیشه مایعی که کشش سطحی بالایی دارد قدرت پخش شوندگی بالایی دارد و به سرعت پخش و منتشر می شود و تا حدودی حلالیت آن پایین می آید و قدرت پخش شوندگی و انتشار آن ماده بر قدرت حلالیت غلبه می کند.بنابراین طبق اثر مارانگونی الکل و آب به علت گرادیان کشش سطحی به طور کامل و مطلق در هم حل نمی شوند و آنچه تا به حال در کتاب های درسی در مورد محلول همگن آب و الکل گفته اند یک مدل تقریبی بوده که تنها تاثیر پیوند هیدروژنی را در نظر گرفته است و بر اساس شباهت نیروهای بین مولکولی در آب و الکل می باشد.دانشمند ایتالیایی کارلو مارانگونی و بعدها جوسایا ویلارد گیبس به صورت نظری و محاسباتی دلیل دقیق این پدیده شیمیایی جالب را پیدا کردند و آن را فرموله کردند.یکی از کاربردهای اثر مارانگونی تشکیل لایه های نازک در صابون می باشد چون اختلاف پخش شوندگی ایجاد شده در اثر گرادیان کشش سطحی باعث تثبیت و شکل گیری این لایه های باریک و نازک در صابون می شود.این لایه های باریک و نازک صابون عامل و جرقه اولیه شویندگی و ایجاد کف در صابون هستند و مثل تکیه گاه اولیه ای هستند که سورفکتانت ها از آنجا به سایر نقاط صابون منتقل می شوند و کف ها و حباب ها در سراسر شوینده پخش می شوند.خشک کردن قطعات سیلیکونی در صنایع الکترونیک نیز از جمله کاربردهای مهم اثر مارانگومی می باشد که برای این کار بخارات الکل یا ماده آلی دیگر را در قطعه سیلیکونی می دمند تا گرادیان کشش سطحی ایجاد شده و نیروهای هم چسبی و دگر چسبی تغییر کرده و نهایتا تجهیزات را خشک کنند.جالب است که اثر مارانگونی در شرایط عادی کره زمین که نیروی گرانش غالب است و گرادیان دما به وفور مشاهده می شود چندان ملموس نیست.دانشمندان در آژانس فضایی اروپا اثر مارانگونی را در شرایط ریز گرانش micro gravity یعنی تقریبا نبود میدان گرانشی مطالعه کرده اند و مشاهده کرده اند که اثر مارانگونی حتی در غیاب میدان گرانشی نیز همچنان وجود دارد و اثرات خودش را بروز می دهد.این موضوع به عقیده من بیانگر این است که قوانین بنیادین شیمی ماورای سیاره ای خاص یا شرایطی خاص مثل نیروی گرانش هستند و در همه جای جهان هستی اثرات خودشان را اعمال می کنند.پژوهش های انجام شده در مهندسی شیمی و مهندسی نفت حاکی از آن است که می توان اثر مارانگونی را برای استخراج نفت و گاز نیز به کار گرفت.در این پژوهش ها دانشمندان از میکرومدل متخلخل به عنوان بستر حرکت فازها استفاده می کنند و کربن دی اکسید و متان را به صورت جداگانه و در دمای پایین به میکرومدل محتوی نفت هدایت می کنند.چون خود میکرومدل دارای دمای بالا می باشد و اطراف لوله های انتقال نفت گرم و اشباع از نفت هستند دقیقا در سطح تماس گاز و نفت شوک گرمایی رخ می دهد و به علت گرادیان دما نفت و گاز بر اساس گرادیان نیروی کشش سطحی عملا از هم جدا می شوند و پدیده اثر مارانگونی در پالایشگاه ها و مخازن لوله نفتی رخ می دهد.