Effetto Marangoni

Versa un buon vino in un bicchiere e osserva: poco sopra il livello del liquido si formano delle gocce che colano giù come lacrime. Queste “lacrime del vino” non sono un caso, ma la manifestazione di un fenomeno generale e importante: l’effetto Marangoni, il movimento di un liquido provocato da differenze di tensione superficiale.

Vediamo come una differenza di tensione superficiale mette in moto un liquido, perché nascono le lacrime del vino e dove questo effetto conta nella tecnica e in natura.

Quando la superficie tira

La superficie di un liquido si comporta come una pelle in tensione, e questa tensione può non essere uguale dappertutto. Se in un punto la tensione superficiale è più alta e in un altro più bassa, la pelle più tesa “tira” verso di sé quella meno tesa, esattamente come un elastico più teso vince su uno più lasco. Il risultato è che il liquido in superficie viene trascinato dalle zone a bassa tensione verso quelle ad alta tensione: è l’effetto Marangoni.

Cosa fa variare la tensione

Due cose cambiano facilmente la tensione superficiale da punto a punto: la temperatura e la composizione. Un liquido più caldo ha di solito tensione superficiale più bassa di uno più freddo; e una zona ricca di una sostanza che abbassa la tensione, come l’alcol o un tensioattivo, è meno tesa di una zona povera. Ovunque nascano differenze di temperatura o di composizione lungo una superficie, nasce un flusso di Marangoni.

flusso superficiale  dalle zone a  γ bassa  →  alle zone a  γ alta

Le lacrime del vino

Le lacrime del vino sono l’esempio più celebre. Il vino è una miscela di acqua e alcol, e l’alcol abbassa la tensione superficiale ed evapora più in fretta. Sulla sottile pellicola che risale il vetro l’alcol evapora prima, così lì la tensione superficiale aumenta; questa zona più tesa tira su altro liquido dal basso, che si accumula in alto finché non ricade in gocce. È un ciclo continuo, alimentato dall’evaporazione, che fa “piangere” il bicchiere.

Un motore senza parti in movimento

L’effetto Marangoni è una specie di motore che trasforma differenze di temperatura o di composizione in movimento del liquido, senza alcuna parte meccanica. Basta una piccola disuniformità e il liquido si mette a circolare da solo. Questo lo rende importante in tutte le situazioni in cui ci sono superfici di liquido e gradienti: dall’essiccamento di una vernice all’evaporazione di una goccia, dal comportamento delle bolle al moto di sottili pellicole.

Dove conta

Le conseguenze sono molte. Nell’essiccamento di vernici e inchiostri, i flussi di Marangoni possono creare difetti come buccia d’arancia o aloni se non si controllano. Nella saldatura, governano come il metallo fuso si rimescola. Nella crescita dei cristalli e nei processi spaziali, dove manca la gravità, diventano il principale motore dei movimenti nel liquido. Nei polmoni, sostanze che regolano la tensione superficiale ne sfruttano gli effetti. E in microscala, l’effetto Marangoni è usato per spostare minuscole gocce nei dispositivi che manipolano liquidi su un chip. Conoscerlo permette sia di evitarne i danni sia di sfruttarlo come strumento.

Marangoni e la vita delle schiume

Un ambito in cui l’effetto Marangoni è decisivo è la stabilità delle schiume e delle bolle. Quando la sottile pellicola di liquido che separa due bolle comincia ad assottigliarsi in un punto, rischia di rompersi e far collassare la schiuma. Ma se nel liquido ci sono tensioattivi, accade qualcosa di protettivo: lo stiramento locale della pellicola allontana le molecole di tensioattivo, aumentando lì la tensione superficiale; questa zona più tesa richiama liquido proprio dove si stava assottigliando, riparando il punto debole prima che si buchi. È un meccanismo di autoriparazione che dà alle schiume la loro resistenza, e si chiama appunto effetto Marangoni-Gibbs. Lo stesso principio spiega perché certi liquidi puri, privi di tensioattivi, non riescono a fare schiuma stabile: senza la differenza di tensione che richiama il liquido, le pellicole si rompono subito. Capire questo legame fra gradienti di tensione e stabilità delle pellicole è centrale tanto per stabilizzare le schiume quando servono, quanto per distruggerle con gli antischiuma quando danno fastidio.

Domande frequenti

Che cos’è l’effetto Marangoni?

È il movimento di un liquido provocato da differenze di tensione superficiale lungo la sua superficie. Il liquido in superficie viene trascinato dalle zone a tensione più bassa verso quelle a tensione più alta, mettendo in moto tutto il fluido sottostante in un ricircolo continuo, senza bisogno di alcuna parte meccanica, finché la differenza di tensione che lo alimenta non si esaurisce.

Perché si formano le lacrime del vino?

Perché l’alcol abbassa la tensione superficiale ed evapora in fretta. Sulla pellicola che risale il vetro l’alcol evapora prima, lì la tensione aumenta e questa zona più tesa tira su altro liquido, che si accumula in alto e ricade in gocce: un ciclo continuo.

Cosa fa variare la tensione superficiale lungo una superficie?

Soprattutto la temperatura e la composizione: un liquido più caldo ha tensione più bassa, e una zona ricca di alcol o tensioattivo è meno tesa. Ovunque nascano differenze di temperatura o di composizione su una superficie, si genera un flusso di Marangoni.

Perché è importante nella tecnica?

Perché governa fenomeni come l’essiccamento di vernici e inchiostri, il rimescolamento del metallo nella saldatura, la crescita dei cristalli e il moto delle gocce nei dispositivi a chip. Può creare difetti se non controllato, ma anche essere sfruttato come motore senza parti meccaniche.

Funziona anche senza gravità?

Sì, ed è proprio dove diventa dominante: nello spazio, in assenza di gravità che muova i liquidi, l’effetto Marangoni resta il principale motore dei movimenti dentro un liquido. Per questo è molto studiato per i processi che avvengono in condizioni di microgravità, dove governa il rimescolamento dei liquidi che sulla Terra sarebbe nascosto dalla gravità.