ปรากฏการณ์มารังโกนี (เรียกอีกอย่างว่าปรากฏการณ์กิบส์-มารังโกนี ) คือการถ่ายโอนมวลตามส่วนต่อประสานระหว่างสองเฟสเนื่องจากความชันของแรงตึงผิวในกรณีที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ปรากฏการณ์นี้อาจเรียกว่าการพาความร้อนแบบเทอร์โมแคปิลลารี^{[ 1 ]}หรือการพาความร้อนแบบเบนาร์ด-มารังโกนี^{[ 2 ]}

ปรากฏการณ์นี้ถูกระบุครั้งแรกในสิ่งที่เรียกว่า " น้ำตาไวน์ " โดยนักฟิสิกส์เจมส์ ทอมสัน ( น้องชายของลอร์ด เคลวิน ) ในปี 1855 ^{[ 3 ]}ผลกระทบโดยทั่วไปนี้ตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวอิตาลีคาร์โล มารังโกนีซึ่งศึกษาเรื่องนี้ในวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของเขาที่มหาวิทยาลัยปาเวียและตีพิมพ์ผลการศึกษาของเขาในปี 1865 ^{[ 4 ]}การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีอย่างสมบูรณ์เกี่ยวกับเรื่องนี้ได้รับการนำเสนอโดยเจ. วิลลาร์ด กิบบ์สในงานของเขาเรื่อง On the Equilibrium of Heterogeneous Substances (1875–1878) ^{[ 5 ]}

เนื่องจากของเหลวที่มีแรงตึงผิวสูงจะดึงดูดของเหลวรอบข้างได้มากกว่าของเหลวที่มีแรงตึงผิวต่ำ ดังนั้นการมีอยู่ของความแตกต่างของแรงตึงผิวจะทำให้ของเหลวไหลออกจากบริเวณที่มีแรงตึงผิวต่ำโดยธรรมชาติ ความแตกต่างของแรงตึงผิวอาจเกิดจากความแตกต่างของความเข้มข้นหรือความแตกต่างของอุณหภูมิ (แรงตึงผิวแปรผกผันกับอุณหภูมิ)

ในกรณีง่ายๆ ความเร็วของการไหลโดยที่คือความแตกต่างของแรงตึงผิว และคือความหนืดของของเหลว น้ำที่อุณหภูมิห้องมีแรงตึงผิวประมาณ 0.07 N/m และความหนืดประมาณ 10⁻³ ^Pa⋅s  ดังนั้นแม้การเปลี่ยนแปลงเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ในแรงตึงผิวของน้ำก็สามารถสร้างการไหลแบบมารังโกนีได้เกือบ 1 m/s ด้วยเหตุนี้ การไหลแบบมารังโกนีจึงพบได้ทั่วไปและสังเกตได้ง่าย ${\displaystyle u\approx \Delta \gamma /\mu }$${\displaystyle \เดลต้า \แกมมา }$${\displaystyle \mu }$

สำหรับกรณีหยดสารลดแรงตึงผิว ขนาดเล็ก ที่หยดลงบนพื้นผิวน้ำ Roché และเพื่อนร่วมงาน^{[ 6 ]}ได้ทำการทดลองเชิงปริมาณและพัฒนารูปแบบง่ายๆ ที่สอดคล้องกับการทดลองโดยประมาณ ซึ่งอธิบายถึงการขยายตัวของรัศมีของบริเวณพื้นผิวที่ปกคลุมด้วยสารลดแรงตึงผิว เนื่องจากการไหลออกของ Marangoni ที่ความเร็วพวกเขาพบว่าความเร็วของการขยายตัวของบริเวณพื้นผิวน้ำที่ปกคลุมด้วยสารลดแรงตึงผิวเกิดขึ้นที่ความเร็วประมาณ ${\displaystyle r}$${\displaystyle u}$

$${\displaystyle u\approx {\frac {(\gamma _{\text{w}}-\gamma _{\text{s}})^{2/3}}{(\mu \rho r)^{1/3}}}}$$

สำหรับแรงตึงผิวของน้ำแรงตึงผิว (ที่ต่ำกว่า) ของพื้นผิวน้ำที่ปกคลุมด้วยสารลด แรงตึงผิว ความหนืดของน้ำ และความหนาแน่นมวลของน้ำ สำหรับ N/m กล่าวคือ การลดลงของแรงตึงผิวของน้ำในระดับหลายสิบเปอร์เซ็นต์ และสำหรับน้ำ N⋅m ⁻⁶ ⋅s ³เราจะได้โดยที่uมีหน่วยเป็น m/s และrมีหน่วยเป็น m ซึ่งจะทำให้ความเร็วลดลงเมื่อพื้นที่ที่ปกคลุมด้วยสารลดแรงตึงผิวเพิ่มขึ้น แต่จะมีค่าอยู่ในระดับ cm/s ถึง mm/s ${\displaystyle \gamma _{\text{w}}}$${\displaystyle \gamma _{\text{s}}}$${\displaystyle \mu }$${\displaystyle \rho }$${\displaystyle (\gamma _{\text{w}}-\gamma _{\text{s}})\approx 10^{-2}}$${\displaystyle \mu \rho \sim 1}$${\displaystyle u\approx 10^{-2}\,r^{3}}$

สมการได้มาจากการประมาณค่าอย่างง่ายสองประการ ประการแรกคือการเทียบความเค้นที่พื้นผิวเนื่องจากความชันของความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิว (ซึ่งขับเคลื่อนการไหลแบบมารังโกนี) กับความเค้นหนืด (ที่ต้านการไหล) ความเค้นมารังโกนีคือ ความชันของแรงตึงผิวเนื่องจากความชันของความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิว (จากค่าสูงที่ศูนย์กลางของบริเวณที่ขยายตัว ไปจนถึงศูนย์ที่ไกลจากบริเวณนั้น) ความเค้นเฉือน หนืด คือความหนืดคูณด้วยความชันของความเร็วเฉือนสำหรับความลึกของการไหลลงไปในน้ำเนื่องจากบริเวณที่แพร่กระจาย Roché และเพื่อนร่วมงาน^{[ 6 ]}สมมติว่าโมเมนตัม (ซึ่งมีทิศทางในแนวรัศมี) แพร่กระจายลงไปในของเหลวในระหว่างการแพร่กระจาย ดังนั้นเมื่อบริเวณนั้นถึงรัศมีสำหรับความหนืดจลน์ซึ่งเป็นค่าคงที่การแพร่กระจายของโมเมนตัมในของเหลว การเทียบความเค้นทั้งสอง ${\displaystyle \sim (\partial \gamma /\partial r)}$${\displaystyle \sim \mu (u/l)}$${\displaystyle l}$${\displaystyle r}$${\displaystyle l\sim (\nu r/u)^{1/2}}$${\displaystyle \nu =\mu /\rho }$

$${\displaystyle u^{3/2}\approx {\frac {(\nu r)^{1/2}}{\mu }}\left({\frac {\partial \gamma }{\partial r}}\right)\approx {\frac {r^{1/2}}{(\mu \rho )^{1/2}}}{\frac {\gamma _{\text{w}}-\gamma _{\text{s}}}{r}},}$$

โดยที่เราประมาณค่าความชันการยกกำลัง 2/3 ทั้งสองข้างจะได้นิพจน์ข้างต้น ${\displaystyle (\partial \gamma /\partial r)\approx (\gamma _{\text{w}}-\gamma _{\text{s}})/r}$

เลขมารังโกนีซึ่งเป็นค่าที่ไม่มีหน่วย สามารถใช้เพื่อบ่งบอกถึงผลกระทบสัมพัทธ์ของแรงตึงผิวและแรงหนืดได้

ยกตัวอย่างเช่นไวน์อาจแสดงปรากฏการณ์ที่มองเห็นได้เรียกว่า " น้ำตาไวน์ " ปรากฏการณ์นี้เป็นผลมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าแอลกอฮอล์มีแรงตึงผิวต่ำกว่าและระเหยได้ง่ายกว่าน้ำ สารละลายน้ำ/แอลกอฮอล์จะลอยขึ้นไปบนผิวหน้าของแก้ว ทำให้พลังงานผิวของแก้วลดลง แอลกอฮอล์ระเหยออกจากฟิล์ม เหลือไว้เพียงของเหลวที่มีแรงตึงผิวสูงกว่า (น้ำมากกว่า แอลกอฮอล์น้อยกว่า) บริเวณที่มีความเข้มข้นของแอลกอฮอล์ต่ำกว่า (แรงตึงผิวมากกว่า) จะดึงของเหลวรอบข้างแรงกว่าบริเวณที่มีความเข้มข้นของแอลกอฮอล์สูงกว่า (อยู่ต่ำกว่าในแก้ว) ผลที่ได้คือของเหลวจะถูกดึงขึ้นไปจนกระทั่งน้ำหนักของมันเองเกินแรงของปรากฏการณ์ และของเหลวจะหยดลงมาตามผนังของภาชนะ สามารถสาธิตได้ง่ายๆ โดยการทาฟิล์มน้ำบางๆ บนพื้นผิวเรียบ แล้วปล่อยให้หยดแอลกอฮอล์ตกลงตรงกลางฟิล์ม ของเหลวจะไหลออกมาจากบริเวณที่หยดแอลกอฮอล์ตกลงไป

ภายใต้สภาวะบนโลก ผลของแรงโน้มถ่วงที่ทำให้เกิดการพาความร้อนตามธรรมชาติในระบบที่มีการไล่ระดับอุณหภูมิไปตามส่วนต่อประสานของของเหลว/ของเหลว มักจะรุนแรงกว่าผลของมารังโกนีมาก การทดลองหลายครั้ง ( ESA MASER 1-3) ได้ดำเนินการภายใต้สภาวะไมโครกราวิตี้บน จรวดสำรวจ เพื่อสังเกตผลของมารังโกนีโดยปราศจากอิทธิพลของแรงโน้มถ่วง การวิจัยเกี่ยวกับท่อความร้อนที่ดำเนินการบนสถานีอวกาศนานาชาติเผยให้เห็นว่า ในขณะที่ท่อความร้อนที่สัมผัสกับการไล่ระดับอุณหภูมิบนโลกทำให้ของเหลวภายในระเหยที่ปลายด้านหนึ่งและเคลื่อนที่ไปตามท่อ ทำให้ปลายด้านร้อนแห้ง แต่ในอวกาศ (ซึ่งสามารถละเลยผลของแรงโน้มถ่วงได้) จะเกิดสิ่งที่ตรงกันข้าม และปลายด้านร้อนของท่อจะเต็มไปด้วยของเหลว^{[ 7 ]}นี่เป็นผลมาจากผลของมารังโกนี ร่วมกับแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอย ของเหลวถูกดึงไปยังปลายด้านร้อนของท่อด้วยแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอย แต่ของเหลวส่วนใหญ่ยังคงกลายเป็นหยดที่อยู่ห่างจากส่วนที่ร้อนที่สุดของท่อเล็กน้อย ซึ่งอธิบายได้ด้วยการไหลของมารังโกนี ความแตกต่างของอุณหภูมิในทิศทางตามแนวแกนและแนวรัศมีทำให้ของเหลวไหลออกจากปลายด้านร้อนและผนังท่อไปยังแกนกลาง ของเหลวจะก่อตัวเป็นหยดที่มีพื้นที่สัมผัสกับผนังท่อเล็กน้อย และเกิดเป็นฟิล์มบางๆ ของของเหลวไหลเวียนอยู่ระหว่างหยดที่เย็นกว่ากับของเหลวที่ปลายด้านร้อน

ผลของปรากฏการณ์มารังโกนีต่อการถ่ายเทความร้อนในสภาวะที่มีฟองก๊าซบนพื้นผิวความร้อน (เช่น ในการเดือดแบบนิวเคลียสที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเดือด) ได้รับการละเลยมานานแล้ว แต่ปัจจุบันเป็นหัวข้อที่ได้รับความสนใจในการวิจัยอย่างต่อเนื่องเนื่องจากมีความสำคัญพื้นฐานต่อความเข้าใจเกี่ยวกับการถ่ายเทความร้อนในการเดือด^{[ 8 ]}

ตัวอย่างที่คุ้นเคยคือฟิล์มสบู่ : ปรากฏการณ์มารังโกนี ช่วยทำให้ฟิล์มสบู่ มีความเสถียรอีกตัวอย่างหนึ่งของปรากฏการณ์มารังโกนีปรากฏในพฤติกรรมของเซลล์การพาความร้อน หรือที่เรียกว่าเซลล์เบนาร์

การประยุกต์ใช้ที่สำคัญอย่างหนึ่งของปรากฏการณ์มารังโกนีคือการใช้ในการทำให้แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน แห้ง หลังจากขั้นตอนการประมวลผลแบบเปียกในระหว่างการผลิตวงจรรวมคราบของเหลวที่ตกค้างบนพื้นผิวเวเฟอร์อาจทำให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันซึ่งทำลายส่วนประกอบบนเวเฟอร์ เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดคราบ จึงใช้ไอแอลกอฮอล์ (IPA) หรือสารประกอบอินทรีย์ อื่นๆ ในรูปของก๊าซ ไอ หรือละอองลอย เป่าผ่านหัว ฉีด ไปยังพื้นผิวเวเฟอร์ที่เปียก (หรือที่เมนิสคัสที่เกิดขึ้นระหว่างของเหลวทำความสะอาดและเวเฟอร์ขณะที่ยกเวเฟอร์ออกจากอ่างแช่) และปรากฏการณ์มารังโกนีที่เกิดขึ้นจะทำให้เกิดการไล่ระดับแรงตึงผิวในของเหลว ทำให้แรงโน้มถ่วงดึงของเหลวออกจากพื้นผิวเวเฟอร์ได้ง่ายขึ้น ส่งผลให้พื้นผิวเวเฟอร์แห้งสนิท

ปรากฏการณ์ที่คล้ายกันนี้ได้รับการใช้ประโยชน์อย่างสร้างสรรค์ในการประกอบอนุภาคนาโน ด้วยตนเอง เป็นอาร์เรย์ที่มีระเบียบ^{[ 9 ]}และในการปลูกนาโนทิวบ์ที่มีระเบียบ^{[ 10 ]}แอลกอฮอล์ที่มีอนุภาคนาโนจะถูกกระจายลงบนพื้นผิว จากนั้นจึงเป่าลมชื้นลงบนพื้นผิว แอลกอฮอล์จะระเหยภายใต้กระแสลม ในขณะเดียวกัน น้ำจะควบแน่นและก่อตัวเป็นหยดเล็กๆ บนพื้นผิว ในขณะเดียวกัน อนุภาคนาโนในแอลกอฮอล์จะถูกถ่ายโอนไปยังหยดเล็กๆ เหล่านั้น และในที่สุดก็จะก่อตัวเป็นวงแหวนกาแฟ จำนวนมาก บนพื้นผิวหลังจากแห้ง

การประยุกต์ใช้อีกประการหนึ่งคือการจัดการอนุภาค^{[ 11 ]}โดยใช้ประโยชน์จากความสำคัญของ ผลกระทบ แรงตึงผิวในระดับเล็ก การพาความร้อนแบบเทอร์โมแคปิลลารีที่ควบคุมได้ถูกสร้างขึ้นโดยการให้ความร้อนเฉพาะที่ส่วนต่อประสานอากาศ-น้ำโดยใช้เลเซอร์ อินฟราเรด จากนั้น การไหลนี้จะถูกใช้ควบคุมวัตถุลอยน้ำทั้งในด้านตำแหน่งและทิศทาง และสามารถกระตุ้นการประกอบตัวเองของวัตถุลอยน้ำ โดยได้รับประโยชน์จากปรากฏการณ์ Cheerios

ปรากฏการณ์มารังโกนีมีความสำคัญต่อสาขาการเชื่อมการเจริญเติบโตของผลึกและการหลอมโลหะด้วยลำแสงอิเล็กตรอน ด้วย ^{[ 1 ]}

• ความไม่เสถียรแบบพลาโต-เรย์ลี — ความไม่เสถียรในกระแสของเหลว
• ดิฟฟิวซิโอสโมซิส - ปรากฏการณ์มารังโกนี คือการไหลที่บริเวณรอยต่อระหว่างของเหลวสองชนิด เนื่องมาจากความแตกต่างของพลังงานอิสระที่บริเวณรอยต่อ ปรากฏการณ์ที่คล้ายคลึงกันที่บริเวณรอยต่อระหว่างของเหลวกับของแข็งคือ ดิฟฟิวซิโอสโมซิส

• บทวิจารณ์เชิงลึกเกี่ยวกับน้ำมันหล่อลื่นสำหรับรถยนต์วันที่ 22 กุมภาพันธ์ 2548
• ฟิสิกส์ของฟิล์มบางนักบินอวกาศดอน เพตติทสาธิตให้ดู วิดีโอจาก YouTube