научная статья по теме ФОТОИНДУЦИРОВАННЫЕ КАПИЛЛЯРНЫЕ ЭФФЕКТЫ: НОВЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ФОТОИНДУЦИРОВАННЫЕ КАПИЛЛЯРНЫЕ ЭФФЕКТЫ: НОВЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 6, с. 80-83

УДК 532.22

ФОТОИНДУЦИРОВАННЫЕ КАПИЛЛЯРНЫЕ ЭФФЕКТЫ: НОВЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

© 2004 г. Б. А. Безуглый, А. А. Федорец, О. А. Тарасов, Н. А. Иванова

Лаборатория жидкостных микрогравитационных технологий Тюменского государственного университета, Тюмень, Россия Поступила в редакцию 29.08.2003 г.

Рассмотрены особенности фотоиндуцированных термокапиллярных и концентрационно-капилляр-ных эффектов, определяющие их практическое значение. Дан обзор приложений этих эффектов в методах лазерной диагностики жидких слоев, микрофлуидике и жидкостных микрогравитационных технологиях.

ВВЕДЕНИЕ

Пристальный интерес к эффектам Марангони вызван возрастающей ролью технологий, связанных с жидкими пленками, каплями, пузырьками, т.е. объектами, для которых даже в наземных условиях доминирующими являются поверхностные силы. Если раньше основной научно-технической проблемой было изучение негативной роли этих сил в технологических процессах (например, при выращивании кристаллов, нанесении покрытий и т.д.), то теперь все ярче проявляется тенденция их целенаправленного использования. Среди подходов к решению задачи управления капиллярными течениями активно развивается подход, основанный на фотоиндуцированных термокапиллярных (ФТК) и концентрационно-капиллярных (ФКК) эффектах. Здесь приводится краткий обзор известных и новых практических приложений этих эффектов в методах лазерной диагностики жидких слоев, микрофлуидике и жидкостных микрогравитационных технологиях.

ФОТОИНДУЦИРОВАННЫЙ ТЕРМОКАПИЛЛЯРНЫЙ ЭФФЕКТ

Фотоиндуцированный термокапиллярный эффект открыт в конце семидесятых годов прошлого века независимо Б.А. Безуглым [1] и Г. Да Ко-стой [2]. Он наблюдается при облучении лазерным пучком слоя жидкости со свободной поверхностью. Индуцируемое пучком локальное тепловое возмущение порождает термокапиллярные течения, которые приводят к деформации поверхности слоя в виде углубления [1, 2], профиль которого зависит более чем от десятка [1, 3] параметров системы "лазерный пучок/жидкий слой/подложка" (система ПСП). В то же время углубление является оптическим элементом, трансформирующим распределение интенсивности в отраженном или прошедшем через него ла-

зерном пучке. Поместив экран в поперечное сечение каустики трансформированного пучка, можно наблюдать интерференционную картину, которую называют термокапиллярным (ТК) откликом [1, 2].

Идея использования ТК-отклика в качестве источника информации о системе ПСП довольно долго не имела развития из-за того, что ФТК-эф-фект, принадлежащий междисциплинарной области на стыке оптики, теории тепломассопереноса, физической химии и т.д., изучали как объект теплофизики или гидродинамики, при этом отклик оставался за рамками исследований.

Простейший вариант схемы наблюдения ФТК-эффекта приведен на рис. 1, однако, как показано в [4], для считывания ТК-отклика более коррект-

5

Рис. 1. Схема экспериментов по ФТК-эффекту: 1 -индуцирующий лазерный пучок; 2 - тонкий жидкий слой со свободной поверхностью; 3 - подложка; 4 -пучок, отраженный поверхностью ТК-углубления; 5 - экран для наблюдения ТК-отклика.

Рис. 2. ТК-углубление и отклик слоев разной геометрии: плоскопраллельного (а); со свободной поверхностью в виде цилиндрического мениска (аддитивное сложение динамической кривизны углубления со статической кривизной мениска приводит к эллиптичности отклика) (б); нарушение симметрии отклика при клиновидном слое (в).

но применять дополнительный широкий, но маломощный лазерный пучок. Параметры ТК-от-клика, используемые в измерениях характеристик системы ПСП, даны на рис. 2.

На сегодняшний день предложены следующие приложения ФТК-эффекта.

Методы измерения вязкости жидкости: стационарный [5] (по диаметру Б отклика в установившемся режиме конвекции) и динамический [6] (по эволюции отклика с момента начала воздействия на слой). Их уникальность состоит в том, что и воздействие на жидкость и считывание ее реакции осуществляется бесконтактно - пучком лазера, благодаря чему эти методы представляют особый интерес для исследований химически агрессивных, радиоактивных, биологически опасных сред, а также жидкостей в экстремальных физических условиях (высокая температура, давление и т.д.).

Метод измерения коэффициента преломления жидкостей [7], в том числе сильно поглощающих излучение, по разнице углов расходимости отраженного и прошедшего сквозь ТК-углубление пучков.

Метод измерения толщины жидких слоев [8],

основанный на сильной зависимости диаметра Б стационарного отклика от толщины жидкого слоя. Погрешность порядка 1 мкм дает измерение Б с точностью всего лишь ±1 мм.

Стационарный и динамический методы измерения энергетических параметров лазерного пучка [9, 10]. Так как возникновение ТК-углубления

связано с индуцируемым пучком градиентом температуры, новые методы не чувствительны к обычной фоновой засветке.

Метод изготовления зеркал-трансформаторов распределения интенсивности лазерного пучка [11]. Его суть состоит в том, что в слое фотополимера индуцируют ТК-углубление, оптическими свойствами которого управляют, изменяя параметры системы ПСП, и по достижении необходимых характеристик углубления слой полимеризу-ют УФ-вспышкой. Затем на полимерную заготовку наносят отражающее покрытие.

Метод контроля плоскостности свободной поверхности [12]. Здесь используется эффект аддитивного сложения динамической кривизны ТК-уг-лубления и статической кривизны свободной поверхности [1], который приводит к нарушению осевой симметрии ТК-углубления и отклика. В случае цилиндрического мениска (рис. 26) отклик приобретает форму эллипса, один из диаметров которого, Д, определяется лишь толщиной слоя на оси пучка, а другой, Бь, также зависит от знака и величины статической кривизны поверхности. Высокая чувствительность отклика к неплоскостности жидкой поверхности (регистрируется кривизна радиусом порядка 6 м) используется в усовершенствованном методе наклонной пластинки измерения краевых углов смачивания [13].

Метод контроля горизонтальности поверхности (лазерный наклономер) [14]. Он основан на высокой чувствительности ТК-отклика к неоднородности толщины слоя, возникающей из-за не-

82

(a)

X у А * .У

БЕЗУГЛЫИ и др.

2

V._^ ^ ^ ^_-

(б)

#1

#

Рис. 3. Схема наблюдения ФКК-эффекта: 1 - пучок света; 2 - кювета, частично заполненная рабочей жидкостью; 3 -микроскоп (а). Кадр видеозаписи (архив Ивановой H.A.), иллюстрирующий тонкий баланс ТК и КК конвективных механизмов, сосуществующих в пределах одного светового пучка (б).

3

КК

ТК

горизонтальности подложки (рис. 2в), и позволяет регистрировать уклон поверхности порядка тысячных долей градуса. В то же время инертность конвективного вихря обеспечивает устойчивость этого метода к микровибрациям.

ФОТОИНДУЦИРОВАННЫЙ КОНЦЕНТРАЦИОННО-КАПИЛЛЯРНЫЙ ЭФФЕКТ

Явление концентрации вещества в интенсивном пучке света (аномальная капля) обнаружено Б.А. Безуглым в марте 1975 года в ходе экспериментов с расплавом йода, задачей которых была проверка гипотезы смещения фазового равновесия в молекулярных системах под действием света. На этой гипотезе основывалось и первое, ошибочное объяснение механизма образования аномальной капли как следствия фотоконденсации йода [15]. Истинный же механизм раскрыт в работе [16], где новый эффект назван фотоинду-цированной концентрационно-капиллярной конвекцией и определен класс жидкостей, в котором он может наблюдаться. Речь идет о растворах тензоактивных (повышающих поверхностное натяжение (ПН) с ростом концентрации в растворе) малолетучих веществ в летучих растворителях.

Классическая схема экспериментов с аномальной каплей показана на рис. 3а. В этом случае более подходят источники немонохроматического излучения, часть которого (рис. 3 а, сплошные линии) хорошо поглощается жидкостью, другая (рис. 3 а, штриховые линии) не поглощается и используется для наблюдений. На рис. 36 приведен кадр видеозаписи, иллюстрирующий то, насколько тесно взаимосвязаны конвективные ТК- и КК-течения: в пределах одного газового пузырька в

наиболее нагретой области доминируют ТК-те-чения (вихри справа), а в более холодной существуют устойчивые КК-потоки и аномальная капля. Многопараметричность ФКК эффекта и очень тонкий механизм баланса сил ТК- и КК-природы настолько осложняют его описание, что до настоящего времени не предложено ни одной математической модели этого явления.

Несмотря на сказанное, успехи экспериментальных исследований ФКК-эффекта позволили найти для него ряд приложений, основанных на особенностях аномальной капли, к которым относится ее способность [1, 17] перемещаться за пучком света (эффект отслеживания), изменять диаметр и кривизну поверхности при модуляции мощности пучка (эффект дыхания), концентрировать тензоактивную компоненту раствора. Кроме этого, практическим потенциалом обладает и КК-способ перемещения газового пузырька пучком света и эффект периодической генерации капель при облучении пленки смачивания вблизи мениска материнского раствора.

В настоящее время на основе ФКК-эффект созданы:

Термотензография [1, 18], наиболее совершенный жидкослойный процесс регистрации изображений, обеспечивающий разрешение >600 мм1;

Варифокальная жидкая линза [19], обладающая уникальным свойством самоцентрирования в пучке света;

Метод разделения растворов [1, 20], позволяющий бесконтактно, в запаянной ампуле, разделять и дозировать компоненты бинарных смесей;

Способ создания течений в тепловых трубках [21], которой открывает возможность для раз-

работки бесфитильных (гладкостенных) тепловых трубок [1];

Методы манипуляции каплями, пузырьками и пленками [1, 22, 23], позволяющие управлять капиллярными объектами сквозь оптически прозрачные стенки замкнутых сосудов сложной формы, не повреждая твердые поверхности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С учетом таких условий космоса, как глубокий вакуум, увеличивающий скорость испарения, обилие дешевой солнечной энергии и микрогравитация, благодаря которой капиллярные силы играют доминирующую роль, следует ожидать, что рассмотренные приложения фотоиндуцир

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком