stringtranslate.com

Термофорез

Осаждение пыли методом термофореза.

Термофорез (также термомиграция , термодиффузия , эффект Соре или эффект Людвига–Соре ) — явление, наблюдаемое в смесях подвижных частиц, где различные типы частиц по-разному реагируют на силу градиента температуры . Это явление имеет тенденцию перемещать легкие молекулы в горячие области, а тяжелые молекулы — в холодные области. Термин термофорез чаще всего применяется к аэрозольным смесям, средняя длина свободного пробега которых сопоставима с его характерным масштабом длины , [1] , но также может обычно относиться к явлению во всех фазах вещества . Термин эффект Соре обычно применяется к жидким смесям, которые ведут себя в соответствии с другими, менее понятными механизмами, чем газообразные смеси . Термофорез может не применяться к термомиграции в твердых телах, особенно в многофазных сплавах. [ необходима ссылка ]

Термофоретическая сила

Явление наблюдается в масштабе одного миллиметра или меньше. Примером, который можно наблюдать невооруженным глазом при хорошем освещении, является ситуация, когда горячий стержень электронагревателя окружен табачным дымом: дым уходит из непосредственной близости от горячего стержня. По мере того, как мелкие частицы воздуха, ближайшие к горячему стержню, нагреваются, они создают быстрый поток от стержня вниз по градиенту температуры. Хотя кинетическая энергия частиц одинакова при той же температуре, более легкие частицы приобретают более высокую скорость по сравнению с тяжелыми. Когда они сталкиваются с большими, более медленно движущимися частицами табачного дыма, они отталкивают последние от стержня. Сила, которая оттолкнула частицы дыма от стержня, является примером термофоретической силы, поскольку средняя длина свободного пробега воздуха в условиях окружающей среды составляет 68 нм [2] , а характерные масштабы длины находятся в пределах от 100 до 1000 нм. [3]

Термодиффузия называется «положительной», когда частицы перемещаются из горячей области в холодную, и «отрицательной», когда происходит обратное. Обычно более тяжелые/крупные виды в смеси демонстрируют положительное термофоретическое поведение, в то время как более легкие/мелкие виды демонстрируют отрицательное поведение. Помимо размеров различных типов частиц и крутизны температурного градиента, теплопроводность и поглощение тепла частицами играют роль. Недавно Браун и его коллеги предположили, что заряд и энтропия гидратной оболочки молекул играют важную роль в термофорезе биомолекул в водных растворах. [4] [5]

Количественное описание дается следующим образом:

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

называется коэффициентом Соре.

Фактор термофореза был рассчитан на основе потенциалов молекулярного взаимодействия, полученных из известных молекулярных моделей. [6]

Приложения

Термофоретическая сила имеет ряд практических приложений. Основой для приложений является то, что, поскольку различные типы частиц движутся по-разному под действием силы градиента температуры, 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 с 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 градиенту температуры), в зависимости от используемых материалов. Термофоретическая сила использовалась в коммерческих осадителях для приложений, аналогичных электростатическим осадителям . Она используется в производстве оптического волокна в процессах вакуумного осаждения . Она может быть важна как транспортный механизм при загрязнении . Также было показано, что термофорез имеет потенциал в содействии открытию лекарств , позволяя обнаруживать связывание аптамера путем сравнения связанного и несвязанного движения целевой молекулы. [7] Этот подход был назван микромасштабным термофорезом . [8] [9] Кроме того, термофорез был продемонстрирован как универсальный метод манипулирования отдельными биологическими макромолекулами, такими как ДНК геномной длины и вирус ВИЧ [10] [11] в микро- и наноканалах с помощью локального нагрева, вызванного светом. [12] Термофорез является одним из методов, используемых для разделения различных полимерных частиц в полевом фракционировании потока . [13]

История

Термофорез в смесях газов впервые наблюдал и описал Джон Тиндаль в 1870 году, а затем его более подробно изучил Джон Страт (барон Рэлей) в 1882 году. [14] Термофорез в смесях жидкостей впервые наблюдал и описал Карл Людвиг в 1856 году, а более подробно изучил Шарль Соре в 1879 году.

Джеймс Клерк Максвелл в 1873 году писал о смесях различных типов молекул (сюда могли входить и мелкие частицы, превышающие по размеру молекулы):

«Этот процесс диффузии... происходит в газах и жидкостях и даже в некоторых твердых телах... Динамическая теория также говорит нам, что произойдет, если молекулам разной массы позволить столкнуться друг с другом. Большие массы будут двигаться медленнее, чем меньшие, так что в среднем каждая молекула, большая или маленькая, будет иметь одинаковую энергию движения. Доказательство этой динамической теоремы, в которой я претендую на приоритет, недавно было значительно развито и улучшено доктором Людвигом Больцманом». [15]

Теоретически это проанализировал Сидней Чепмен .

Термофорез на границах раздела твердых тел был численно обнаружен Шоеном и др. в 2006 году [16] и экспериментально подтвержден Баррейро и др. [17].

Отрицательный термофорез в жидкостях впервые был замечен в 1967 году Дуайером [18] в теоретическом решении, а название было придумано Соном [19] . Отрицательный термофорез на границах раздела твердых тел впервые наблюдали Ленг и др. [20] в 2016 году.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Talbot L, Cheng RK, Schefer RW, Willis DR (1980). «Термофорез частиц в нагретом пограничном слое» (PDF) . J. Fluid Mech . 101 (4): 737–758. Bibcode : 1980JFM...101..737T. doi : 10.1017/S0022112080001905.
  2. ^ Дженнингс, С. (1988). «Средняя длина свободного пробега в воздухе». Журнал аэрозольных наук . 19 (2): 159–166. Bibcode : 1988JAerS..19..159J. doi : 10.1016/0021-8502(88)90219-4.
  3. ^ Кит CH, Деррик JC (апрель 1960). «Измерение распределения размеров частиц и концентрации сигаретного дыма с помощью «конифуги»". Журнал коллоидной науки . 15 (4): 340–356. doi :10.1016/0095-8522(60)90037-4.
  4. ^ Дур С., Браун Д. (декабрь 2006 г.). «Почему молекулы движутся вдоль градиента температуры». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 103 (52): 19678–19682. Bibcode : 2006PNAS..10319678D. doi : 10.1073/pnas.0603873103 . PMC 1750914. PMID  17164337 . 
  5. ^ Reineck P, Wienken CJ, Braun D (январь 2010). «Термофорез одноцепочечной ДНК». Электрофорез . 31 (2): 279–286. doi :10.1002/elps.200900505. PMID  20084627. S2CID  36614196.
  6. ^ Журнал химической физики , 50, 4886, (1960)
  7. ^ Бааске П., Винкен С.Дж., Райнек П., Дур С., Браун Д. (февраль 2010 г.). «Оптический термофорез для количественной оценки буферной зависимости связывания аптамеров». Angewandte Chemie, международное издание . 49 (12): 2238–2241. дои : 10.1002/anie.200903998. PMID  20186894. S2CID  42489892.
    • «Горячая дорога к новым лекарствам». Phys.org . 24 февраля 2010 г.
  8. ^ Wienken CJ, et al. (2010). «Анализ связывания белков в биологических жидкостях с использованием микромасштабного термофореза». Nature Communications . 1 (7): 100. Bibcode : 2010NatCo...1..100W. doi : 10.1038/ncomms1093 . PMID  20981028.
  9. ^ Иллюстрация устройства, работающего на основе микромасштабного термофореза на NanoTemper.de
  10. ^ Чжао, Чао; Озтекин, Альпарслан; Чэн, Сюаньхун (24 ноября 2013 г.). «Измерение коэффициентов тепловой диффузии искусственных и биологических частиц в микрофлюидном чипе». Бюллетень Американского физического общества . 58. Bibcode : 2013APS..DFD.D6002Z . Получено 7 апреля 2015 г.
  11. ^ Чжао, Чао; Фу, Цзиньсинь; Озтекин, Альпарслан; Чэн, Сюаньхун (1 октября 2014 г.). «Измерение коэффициента Соре наночастиц в разбавленной суспензии». Журнал исследований наночастиц . 16 (10): 2625. Bibcode :2014JNR....16.2625Z. doi :10.1007/s11051-014-2625-6. PMC 4160128 . PMID  25221433. 
  12. ^ Thamdrup LH, Larsen NB, Kristensen A (февраль 2010 г.). «Светоиндуцированный локальный нагрев для термофоретической манипуляции ДНК в полимерных микро- и наноканалах». Nano Letters . 10 (3): 826–832. Bibcode : 2010NanoL..10..826T. doi : 10.1021/nl903190q. PMID  20166745.
  13. ^ Иллюстрация машины для фракционирования потока термического поля, работающей на основе термофореза, используемой для разделения смешанных полимеров на Postnova.com. Архивировано 22 декабря 2018 г. на Wayback Machine.
  14. ^ Краткая история исследований термофореза приведена в «Энциклопедии поверхностных и коллоидных наук», том 2, опубликованной Taylor & Francis в 2006 году. Оригинальная статья Джона Тиндаля от 1870 года доступна онлайн на Archive.org.
  15. ^ «Молекулы» Джеймса Клерка Максвелла, опубликовано в сентябре 1873 г. в журнале Nature . Воспроизведено онлайн на сайте Victorianweb.org.
  16. ^ Шен, Филипп А.Е.; Вальтер, Йенс Х.; Арчидиаконо, Сальваторе; Пуликакос, Димос; Кумутсакос, Петрос (2006-09-01). «Движение наночастиц по спиральным дорожкам: термофоретический массовый транспорт через углеродные нанотрубки». Nano Letters . 6 (9): 1910–1917. Bibcode : 2006NanoL...6.1910S. doi : 10.1021/nl060982r. ISSN  1530-6984. PMID  16968000. S2CID  29154934.
  17. ^ Баррейро, Амелия; Рурали, Риккардо; Эрнандес, Эдуардо Р.; Мозер, Джоэл; Пихлер, Томас; Форро, Ласло; Бахтольд, Адриан (2008-05-09). «Субнанометровое движение грузов, вызванное тепловыми градиентами вдоль углеродных нанотрубок». Science . 320 (5877): 775–778. Bibcode :2008Sci...320..775B. doi : 10.1126/science.1155559 . ISSN  1095-9203. PMID  18403675. S2CID  6026906.
  18. ^ Дуайер, Гарри А. (1967-05-01). «Тринадцатимоментная теория тепловой силы на сферической частице». Физика жидкостей . 10 (5): 976–984. Bibcode : 1967PhFl...10..976D. doi : 10.1063/1.1762250. ISSN  0031-9171.
  19. ^ Соне, Ёсио (1972-07-15). «Поток, вызванный термическим напряжением в разреженном газе». Журнал Физического общества Японии . 33 (1): 232–236. Bibcode : 1972JPSJ...33..232S. doi : 10.1143/JPSJ.33.232. ISSN  0031-9015.
  20. ^ Ленг, Цзяньтао; Го, Чжэнжун; Чжан, Хунвэй; Чанг, Тяньчун; Го, Синмин; Гао, Хуацзянь (12 октября 2016 г.). «Отрицательный термофорез в наноустройствах с концентрическими углеродными нанотрубками». Нано-буквы . 16 (10): 6396–6402. Бибкод : 2016NanoL..16.6396L. doi : 10.1021/acs.nanolett.6b02815. ISSN  1530-6984. ПМИД  27626825.

Внешние ссылки