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​马兰戈尼效应在生活的应用【举例】

来源:AQiao Echo 医用生物力学 浏览 176 次 发布时间:2023-12-19

自然界中许多定向传输过程,都是源于马兰戈尼效应。现在,已经有很多人利用马兰戈尼效应,在各种工程实际中做了很多事情。略举几例,勾引一下同学们的兴趣。


(1)为什么不能往开水中尿尿?


传说,如果一个人往热水里撒尿,水流会逆流而上,最终小便的人会被烫伤。


很多人都针对这个问题做了相关的实验。实验结果和传说中的一样,热水确实是顺着温度较低的水流逆流而上、烫伤了小JJ。因为,根据马拉高尼效应,表面张力大小与温度也有关系,热水会逆流而上!


(2)为什么专家们经常呼吁人们打扫厕所?


一个看似干净的马桶,其实里面往往藏着各种肉眼看不见的细菌或者其他东西。


马桶不干净,人往马桶里小便。一不留神,细菌就会顺着尿液逆流而上,引起尿路感染。


(3)在冶金、化工等领域的应用


如在冶金行业,由于不同金属融化后表面张力具有差异,马兰戈尼效应会使得液态金属发生迁移,从而导致不同金属的分布发生不均。看似毫不相干的葡萄酒与冶金行业,因为同一种物理现象而联系在了一起!


(4)海水淡化技术


海水和空气之间的界面存在盐浓度梯度,并由此产生表面张力梯度,其为溶剂和盐份溶质的移动提供了额外驱动力。沿该界面的表面张力梯度产生切向力,形成滑移速度,驱动海水从低表面张力向高表面张力方向流动。

海水淡化技术的“马兰戈尼效应”工作原理


(5)马兰戈尼效应驱动液体铺展及其生成图案,以及液面下方溶液中的马兰戈尼对流


香港大学机械工程系岑浩璋教授率领的研究团队,偕同法国巴黎-萨克雷大学Neil Ribe教授的研究团队,在Nature Communications上发表了他们的研究论文:Generation of Fermat’s spiral patterns by solutal Marangoni-driven coiling in an aqueous two-phase system,[2023-12-17].DOI:10.1038/s41467-022-34368-5。该论文报道了他们在流体力学范畴取得突破性进展,在双水相系统中开发出一种三维的马兰戈尼物质传输体系。物质可以按照规律性方式从液滴传输至液面并且有序铺展,为开发革新性自动纺丝系统提供崭新思路。

马兰戈尼效应驱动液体铺展及其生成图案,以及液面下方溶液中的马兰戈尼对流


(6)马兰戈尼效应用于血液透析


在医学上,有人利用马兰戈尼效应发明了一个系统来帮助血液透析。使用这种方法,人们可以更有效地实现血液透析。

马兰戈尼效应用于血液透析


血液透析是急慢性肾功能衰竭患者肾脏替代治疗方式之一。通过将体内血液引流至体外,经一个由无数根空心纤维组成的透析器中,血液与含机体浓度相似的电解质溶液(透析液)在一根根空心纤维内外,隔着半透膜进行透析,通过弥散、超滤、吸附和对流原理进行物质交换,清除体内的代谢废物、维持电解质和酸碱平衡;同时清除体内过多的水分,并将经过净化的血液回输的整个过程称为血液透析。


血液透析的主要原理是:弥散+对流。那么,如何做到血液和电解质溶液的均匀铺展和对流扩散,就是一个关键的科学技术问题。“马兰戈尼效应”又在其中发挥了重要作用。