Термофорез - Thermophoresis

Термофорез (также термомиграция , термодиффузия , эффект Соре или эффект Людвига – Соре ) - это явление, наблюдаемое в смесях подвижных частиц, где разные типы частиц демонстрируют разные реакции на силу температурного градиента . Термин термофорез чаще всего применяется к аэрозольным смесям, длина свободного пробега которых сравнима с его характерным масштабом длины , но также может относиться к явлению во всех фазах вещества . Термин эффект Соре обычно применяется к жидким смесям, которые ведут себя согласно другим, менее понятным механизмам, чем газовые смеси . Термофорез может не применяться к термомиграции твердых тел, особенно многофазных сплавов.

Термофоретическая сила

Явление наблюдается в масштабе одного миллиметра или меньше. Пример, который можно наблюдать невооруженным глазом при хорошем освещении, - это когда хотрод электрического обогревателя окружен табачным дымом: дым уходит из непосредственной близости от хотрода. Когда мелкие частицы воздуха, ближайшие к хот-стержню, нагреваются, они создают быстрый поток от стержня вниз по температурному градиенту. Они приобрели более высокую кинетическую энергию с более высокой температурой. Когда они сталкиваются с большими, медленно движущимися частицами табачного дыма, они отталкивают их от стержня. Сила, которая отталкивает частицы дыма от стержня, является примером термофоретической силы, так как средний свободный пробег воздуха в условиях окружающей среды составляет 68 нм, а характерные масштабы длины находятся в диапазоне от 100 до 1000 нм.

Термодиффузия называется «положительной», когда частицы перемещаются из горячей области в холодную, и «отрицательной», когда верно обратное. Обычно более тяжелые / более крупные частицы в смеси демонстрируют положительное термофоретическое поведение, в то время как более легкие / мелкие частицы демонстрируют отрицательное поведение. Помимо размеров различных типов частиц и крутизны температурного градиента важную роль играют теплопроводность и поглощение тепла частицами. Недавно Браун и его коллеги предположили, что заряд и энтропия гидратной оболочки молекул играют важную роль в термофорезе биомолекул в водных растворах.

Количественное описание дает:

концентрация частиц; коэффициент диффузии; и коэффициент термодиффузии. Частное обоих коэффициентов

называется коэффициентом Соре.

Фактор термофореза был рассчитан на основе потенциалов взаимодействия молекул, полученных из известных молекулярных моделей.

Приложения

Термофоретическая сила имеет ряд практических применений. Основа для приложений заключается в том, что, поскольку различные типы частиц по-разному движутся под действием температурного градиента, типы частиц могут быть разделены этой силой после того, как они были смешаны вместе, или предотвращены от смешивания, если они уже разделены.

Примесные ионы могут перемещаться от холодной стороны полупроводниковой пластины к горячей стороне, поскольку более высокая температура делает переходную структуру, необходимую для атомных скачков, более достижимой. Диффузионный поток может происходить в любом направлении (вверх или вниз по температурному градиенту), в зависимости от используемых материалов. Термофоретическая сила использовалась в промышленных электрофильтрах для применений, аналогичных электрофильтрам . Он используется при производстве оптического волокна в процессах вакуумного напыления . Он может быть важным транспортным механизмом при обрастании . Также было показано, что термофорез может способствовать открытию лекарств , позволяя обнаруживать связывание аптамера путем сравнения связанного и несвязанного движения молекулы-мишени. Этот подход получил название термофореза на микромасштабах . Кроме того, термофорез был продемонстрирован как универсальный метод манипулирования отдельными биологическими макромолекулами, такими как ДНК геномной длины и вирус ВИЧ, в микро- и наноканалах посредством локального нагрева под действием света. Термофорез - один из методов, используемых для разделения различных полимерных частиц при фракционировании в полевом потоке .

История

Термофорез в газовых смесях впервые наблюдал и сообщил Джон Тиндалл в 1870 году, а затем понял его Джон Струтт (барон Рэлей) в 1882 году. Термофорез в жидких смесях впервые наблюдал и сообщил Карл Людвиг в 1856 году и впоследствии понял Чарльз Соре в 1879 году.

Джеймс Клерк Максвелл писал в 1873 году о смесях различных типов молекул (и это может включать мелкие частицы, большие, чем молекулы):

«Этот процесс диффузии ... происходит в газах, жидкостях и даже в некоторых твердых телах ... Динамическая теория также говорит нам, что произойдет, если молекулам разных масс позволить столкнуться вместе. Большие массы будут двигаться медленнее. чем меньшие, так что в среднем каждая молекула, большая или малая, будет иметь одинаковую энергию движения. Людвиг Больцманн ".

Теоретически это проанализировал Сидней Чепмен .

Термофорез на границах раздела твердых тел был численно обнаружен Schoen et al. в 2006 г. и было экспериментально подтверждено Barreiro et al.

Отрицательный термофорез в жидкостях был впервые замечен Дуайером в 1967 году в теоретическом решении, а название было придумано Соном. Отрицательный термофорез на границах раздела твердых тел впервые наблюдал Ленг и др. в 2016 году.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки