Фотофорез

Не путать с фотоферизом .

Фотофорез обозначает явление, которое мелкие частицы, подвешенные в газе (аэрозоли) или жидкостях (гидроколлоиды), начинают мигрировать при освещении достаточно интенсивным лучом света . Существование этого явления должно быть связано с неравномерным распределением температуры освещенной частицы в жидкой среде. Отдельно от фотофореза, в жидкой смеси различных видов частиц миграция некоторых видов частиц может быть связана с различиями в их поглощении термического излучения и других тепловых эффектов, совместно известных как термофорез . При лазерном фотофорезе частицы мигрируют, как только они имеют показатель преломления, отличный от окружающей среды. Миграция частиц обычно возможна, когда лазер немного или не сфокусирован. Частица с более высоким показателем преломления по сравнению с окружающей молекулой отоходит от источника света из -за переноса импульса из поглощенных и рассеянных световых фотонов. Это называется силой радиационного давления . Эта сила зависит от интенсивности света и размера частиц, но не имеет ничего общего с окружающей средой Полем Как и в радиометре Crookes , свет может нагреть одну сторону и газовые молекулы отскакивать от этой поверхности с большей скоростью, следовательно, толкайте частицу на другую сторону. При определенных условиях, с частицами диаметра, сопоставимыми с длиной волны света, происходит феномен негативного косвенного фотофореза из -за неравного тепловой обработки при облучении лазерной Среда вокруг частицы, такая, что молекулы на дальней стороне частицы от источника света могут нагреваться, заставляя частицу двигаться к источнику света.

Если взвешенная частица вращается, она также испытает эффект Ярковского .

Обнаружение фотофореза обычно приписывается Феликс Эренхафту в 1920-х годах, хотя другие наблюдения были сделаны другими, включая Августин-Жан Френнел .

Применение фотофорез

Применение фотофореза расширяется в различные разделения науки, таким образом, физику, химию, а также в биологии. Фотофорез применяется в ловушке и левитации частиц, в поле фракционирования частиц, При определении теплопроводности и температуры микроскопических зерен а также в транспортировке частиц сажи в атмосфере. Использование света при разделении аэрозолей частиц на основе их оптических свойств делает возможным разделение органических и неорганических частиц того же аэродинамического размера .

Недавно фотофорез был предложен в качестве механизма хиральной сортировки для одноклеточных углеродных нанотрубок. Предложенный метод будет использовать различия в спектрах поглощения полупроводниковых углеродных нанотрубок, возникающих в результате оптически возбужденных переходов в электронной структуре. В случае разработки методика будет заказами величин быстрее, чем в настоящее время установленные методы ультрацентрифугирования.

В 2021 году Azadi, Popov et al. Сообщите «Левитация макроскопических полимерных пленок с наноструктурированной поверхностью в качестве кандидатов на длительный перелет в ближнем пространстве» с использованием интенсивности света, сравнимой с солнечным светом, они обременяли диски в масштабе углеродные нанотрубки с одной стороны. Эксперименты Шафера, Ким, Влассака и Кейта позволяют предположить, что фотофоретические силы могут использовать тонкие 10 сантиметровые структуры в стратосфере Земли на неопределенный срок с целью атмосферной науки, особенно мониторинг высокой погоды. Они описывают в 2022 году предварительный дизайн, изготовленный с доступными методами устройства диаметра 10 см, объединяющего левитирующую структуру двух мембран 2 мкм друг от друга в жесткой опорной структуре, проверенной на достаточной прочности для выдержания транспорта, развертывания и полета на высоте 25 км. Вместимость полезной нагрузки составляет 300 мг и может поддерживать двунаправленную радиосвязь при более чем 10 МБ/с и некоторый навигационный контроль. При увеличении структуры, он может нести полезные нагрузки в несколько граммов. Они предлагают применения для телекоммуникаций и развертывание на Марсе.

Теория фотофореза

Прямой фотофорез вызван переносом фотонного импульса в частицу путем преломления и отражения. Движение частиц в прямом направлении происходит, когда частица прозрачна и имеет индекс преломления больше по сравнению с окружающей средой. Косвенное фотофорез возникает в результате увеличения кинетической энергии молекул, когда частицы поглощают падающий свет только на облученной стороне, создавая температурный градиент внутри частицы. В этой ситуации слой окружающего газа достигает температурного равновесия с поверхностью частицы. Молекулы с более высокой кинетической энергией в области более высокой температуры газа, приводимых на частицу с большими импульсами, чем молекулы в холодной области; Это вызывает миграцию частиц в направлении, противоположном градиенту температуры поверхности. Компонент фотофоретической силы, ответственной за это явление, называется радиометрической силой. Это происходит в результате неравномерного распределения лучистой энергии (функции источника внутри частицы). Косвенная фотофоретическая сила зависит от физических свойств частицы и окружающей среды.

Для давления $p$, где свободный средний путь газа намного больше, чем характерный размер $r_{0}$ суспендированной частицы (прямой фотофорез), продольная сила

$\mathbf {F} _{\text{phot}}=-{\frac {\pi }{3}}\,\alpha \,\alpha _{\text{m}}{\frac {p}{\sqrt {{\overline {T_{\text{gas}}^{\text{out}}}}\,T_{\text{gas}}^{\text{in}}}}}\,r_{0}^{2}\,{\frac {I\,J_{1}}{{\frac {k}{r_{0}}}+4\sigma _{\text{SB}}\varepsilon \,T_{\text{black body}}^{3}}}\,\mathbf {e} _{z}$

где средняя температура рассеянного газа (коэффициент тепловой амоотечения $\alpha$, коэффициент размещения импульса $\alpha _{\text{m}}$)

${\overline {T_{\text{gas}}^{\text{out}}}}=T_{\text{gas}}^{\text{in}}+\alpha \left(T_{\text{black body}}-T_{\text{gas}}^{\text{in}}\right)$

и температура черного тела частицы (Net Light Flux $I=\varepsilon \,I_{0}$, Постоянная Stefan Boltzmann $\sigma _{\text{SB}}$, температура поля радиации $T_{\text{opt}}$)

$T_{\text{black body}}={\sqrt[{4}]{{\frac {I_{0}}{4\sigma _{\text{SB}}}}+T_{\text{opt}}^{4}}}$.

$k$ это теплопроводность частицы. Коэффициент асимметрии для сферов $J_{1}$ обычно $1/2$ (Позитивный продольный фотофорез). Для несферических частиц средняя сила, оказываемая на частицу, определяется тем же уравнением, где радиус $r_{0}$ теперь является радиусом соответствующей объема-эквивалентной сферы.

Внешние ссылки

• Фотофорез в контексте астрофизики
• Отрицательный фотофорез