Исследование светоиндуцированных процессов тепло- и массопереноса в жидкофазных средах имеет важное значение для передовых микроэлектронных технологий, биомедицинских приложений, а также для различных областей науки и техники [1–15]. Однако на эффекты массопереноса может оказывать значительное и трудно контролируемое влияние термоиндуцированная конвекция. Возникновение конвективных течений в жидкости может быть обусловлено как наличием температурного градиента на поверхности (термокапиллярная конвекция), так и наличием градиента концентрации ПАВ (концентрационно-капиллярная конвекция). При наличии конвекции процессы массопереноса в гетерофазных жидкостях в неоднородном тепловом поле могут приводить к образованию упорядоченных динамических структур [1–5]. Такие процессы представляют особенный интерес для реализации разнообразных технологических приемов самосборки или самоорганизации.
Цель исследования. В данной работе исследован термокапиллярный механизм пузырькового кластерообразования в жидкофазной среде в условиях развитой конвекции с использованием комплексной экспериментальной методики, включающей термографический метод.
В экспериментальной установке использовались источники лазерного излучения различного спектрального состава, малогабаритная IP видеокамера AVIOSYS AK9060 и термограф.
В экспериментах по взаимодействию излучения непрерывного CO2-лазера (мощность излучения Pизл = 6 Вт, длина волны λген = 10 мкм) с органическими жидкостями было обнаружено, что всплывающие под действием архимедовой силы пузырьки газа могут левитировать в области лазерного пятна. При этом поднимающийся пузырек «застревает» в области, которая нагревается излучением, несмотря на развитую тепловую конвекцию жидкости в вертикальной кювете. При почти горизонтальной кювете (угол отклонения от горизонтали не более 20°) происходит накопление пузырьков в кластер. Форма и размеры кластера соответствуют модовой структуре лазерного пятна (рис. 1). Толщина слоя жидкости в кювете составляет 130 мкм. Размеры пузырьков также лежат в диапазоне 50–100 мкм. Нагрев жидкости в кювете в центре лазерного пятна достигал 60 °С.
Для интерпретации описанного явления рассмотрим термокапиллярный механизм образования пузырьковых кластеров в поле излучения. Простейшая оценка силы, удерживающей пузырек в нагретой области, основана на существовании термокапиллярной «силы», направленной вдоль градиента температуры [15]. Данная сила зависит от коэффициента поверхностного натяжения σ, который является функцией температуры:
(1)
где T – температура; R – радиус пузырька; x – координата вдоль слоя жидкости.
Приравнивая эту силу к выталкивающей силе Архимеда FA, получаем условие левитации:
(2)
где ρ – плотность жидкости; g = 9,8 мс–2.
Например, подставляя следующие значения параметров для воды ρ = 103 кгм–3, 
получаем
.
Наклоном кюветы можно уменьшить продольную составляющую FA практически до нуля, и таким образом градиента 103–104 Км–1 (что соответствует условиям эксперимента) достаточно, чтобы пузырек не всплывал. Поскольку кювета почти горизонтальна, существенное значение имеет адгезионная сил, «закрепляющая» пузырек на верхней поверхности окна кюветы в области лазерного пятна и частично компенсирующая стоксову силу вязкости в конвективном потоке.
Таким образом, полученные результаты демонстрируют эффективность термокапиллярного действия лазерного излучения, а также возможность светоиндуцированного образования устойчивого пузырькового кластера.
Для исследования термокапиллярного движения пузырьков на свободной поверхности жидкости в световом поле была проведена отдельная серия экспериментов.
Рис. 1. Фотографии, демонстрирующие образование пузырьковых кластеров в закрытой кювете, форма которых соответствует пространственному распределению интенсивности излучения в лазерном пятне
На предметный столик установки помещалась горизонтальная кювета без верхнего окна c жидкостью, толщина слоя которой составляла 0,4–0,8 мм. На поверхность исследуемой жидкости (дистиллят с добавлением поглощающего излучение компонента) фокусировался пучок лазерного излучения, источником которого являлся гелий-неоновый лазер (мощность излучения Pизл = 60 мВт, длина волны λген = 0,6 мкм).
Пузырьки образовывались на центрах поглощения (микрочастицах туши) в жидкости при ее нагреве падающим излучением. С помощью видеокамеры зафиксирован дрейф пузырьков в область максимума температуры жидкости.
В ходе проведения исследования наблюдался эффект образования пузырькового кластера в жидкофазной среде в световом пятне. При этом кластер имеет динамическую структуру (пузырьки не прикасаются друг к другу) и характеризуется упорядоченной структурой (рис. 2–3).
Рис. 2. Динамика образования пузырькового кластера на поверхности жидкости (указано время от начала воздействия светового излучения в секундах), размер изображения 1,8 мм, толщина слоя жидкости 0,4 мм
Рис. 3. Динамика образования пузырькового кластера на поверхности жидкости (указано время от начала воздействия светового излучения в секундах), размер изображения 1 мм, толщина слоя жидкости 0,6 мм
Как показали проведенные оценки на основе формул для скорости дрейфа пузырьков в объемной жидкости, скорость термокапиллярного дрейфа значительно превышает скорость конвективного поверхностного движения (которая в условиях эксперимента составляла всего 5–10 % от дрейфовой).
Таким образом, термокапиллярный дрейф пузырьков на свободной поверхности жидкости может также определять их динамику даже в условиях развитой конвекции.
Выводы
Приведенные в данной работе данные демонстрируют, что массоперенос в двухфазной жидкости, обусловленный термокапиллярным механизмом, может значительно превышать конвективный. Наличие неоднородного нагрева излучением, эффективного взаимодействия пузырьков друг с другом (в случае свободной поверхности) и с поверхностью твердого тела (для закрытой кюветы) может приводить к образованию устойчивых пузырьковых кластеров в условиях развитой конвекции.
Полученные результаты могут найти применение в различных задачах лазерной обработки материалов, биомедицинских приложениях, а также представляют интерес для оптической диагностики многофазных сред [1–3, 8–14].
Рецензенты:
Карпец Ю.М., д.ф.-м.н., профессор кафедры «Физика и теоретическая механика», ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения», г. Хабаровск;
Криштоп В.В., д.ф.-м.н., профессор кафедры физики, проректор по учебной работе, ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» Министерства транспорта РФ, г. Хабаровск.