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Aquae

El colorante que resuelve laberintos

Para realizar este experimento necesitaremos: un vaso de leche, colorante líquido y jabón liquido.  

Llenamos los huecos del laberinto con leche. Añadimos unas gotas de colorante con jabón líquido y… ¡La tinta descubre la salida! Pero, ¿por qué? Dibujamos el recorrido con el jabón líquido. Y gracias al efecto Marangoni, el líquido con alta tensión superficial (el colorante) tenderá a fluir hacia otro de menor tensión superficial (la leche con jabón).

¿Qué es el efecto Marangoni?

Es la transferencia de masa a lo largo de una interfaz entre dos fluidos debido a un gradiente de la tensión superficial. En el caso de la dependencia de la temperatura, este fenómeno puede denominarse convección termo-capilar.

Historia

Este fenómeno fue identificado por primera vez en las llamadas “lágrimas de vino” por el físico James Thomson (hermano de Lord Kelvin) en 1855. El efecto general lleva el nombre del físico italiano Carlo Marangoni, quien lo estudió para su tesis doctoral en en la Universidad de Pavía y publicó sus resultados en 1865. J. Willard Gibbs dio un tratamiento teórico completo del tema en su obra Sobre el equilibrio de sustancias heterogéneas (1875-8).

Lágrimas de vino

Además de colorante, hay un ejemplo más popular, el del vino, que puede exhibir un efecto visible llamado “lágrimas de vino”. El efecto es una consecuencia del hecho de que el alcohol tiene una tensión superficial más baja y una mayor volatilidad que el agua. La solución de agua/alcohol sube por la superficie del vidrio y reduce la energía superficial del vidrio. El alcohol se evapora de la película dejando un líquido con mayor tensión superficial (más agua, menos alcohol). Esta región con una menor concentración de alcohol (mayor tensión superficial) tira del fluido circundante con más fuerza que las regiones con una mayor concentración de alcohol (menor en el vaso).

El resultado es que el líquido se tira hacia arriba hasta que su propio peso excede la fuerza del efecto, y el líquido vuelve a gotear por las paredes del recipiente. Esto también se puede demostrar fácilmente extendiendo una fina película de agua sobre una superficie lisa y luego dejando caer una gota de alcohol en el centro de la película. El líquido saldrá de la región donde la gota de alcohol caiga.

Ejemplos y aplicación del efecto Marangoni

Un ejemplo familiar es el de las películas de jabón: el efecto Marangoni estabiliza las películas de jabón. Otro ejemplo del efecto Marangoni aparece en el comportamiento de las células de convección, las llamadas células de Bénard.

Una aplicación importante del efecto Marangoni es el uso para secar obleas de silicio después de un paso de procesamiento húmedo durante la fabricación de circuitos integrados. Las manchas de líquido que quedan en la superficie de la oblea pueden causar oxidación que daña los componentes de la oblea. Para evitar las manchas, se sopla un vapor de alcohol u otro compuesto orgánico en forma de gas, vapor o aerosol a través de una boquilla sobre la superficie húmeda de la oblea (o en el menisco formado entre el líquido limpiador y la oblea cuando se levanta la oblea), y el subsiguiente efecto Marangoni provoca un gradiente de tensión superficial en el líquido que permite que la gravedad extraiga más fácilmente el líquido de la superficie de la oblea, dejando efectivamente una superficie seca de la oblea.

Un fenómeno similar se ha utilizado de forma creativa para autoensamblar nanopartículas en matrices ordenadas y para hacer crecer nanotubos ordenados. Se esparce un alcohol que contiene nanopartículas sobre el sustrato, seguido de un soplo de aire húmedo sobre el sustrato. El alcohol se evapora bajo el flujo. Simultáneamente, el agua se condensa y forma microgotas sobre el sustrato. Mientras tanto, las nanopartículas en alcohol se transfieren a las microgotitas y finalmente forman numerosos anillos de café sobre el sustrato después del secado.

El efecto Marangoni también es importante para los campos de la soldadura, el crecimiento de cristales y la fusión de metales por haz de electrones.