Термофорез

Термофорез (также термомиграция , термодиффузия , эффект Соре или эффект Людвига-Соре ) — явление, наблюдаемое в смесях мобильных частиц, где разные типы частиц демонстрируют разные реакции на силу температурного градиента . Это явление имеет тенденцию перемещать легкие молекулы в горячие области, а тяжелые молекулы в холодные. Термин термофорез чаще всего применяется к аэрозольным смесям, длина свободного пробега которых $\lambda$ сравним с его характерным масштабом длины $L$ , ^[1] но может также обычно относиться к явлению во всех фазах материи . Термин «эффект Соре» обычно применяется к жидким смесям, которые ведут себя по другим, менее понятным механизмам, чем газообразные смеси . Термофорез не может применяться для термомиграции твердых тел, особенно многофазных сплавов. ^{[ нужна 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 от непосредственной близости от горячего стержня. Поскольку мелкие частицы воздуха, ближайшие к горячему стержню, нагреваются, они создают быстрый поток от стержня по градиенту температуры. Хотя кинетическая энергия частиц одинакова при одинаковой температуре, более легкие частицы приобретают более высокую скорость по сравнению с тяжелыми. Когда они сталкиваются с крупными, медленно движущимися частицами табачного дыма, они отталкивают последние от стержня. Сила, которая отталкивает частицы дыма от стержня, является примером термофоретической силы, поскольку длина свободного пробега воздуха в условиях окружающей среды составляет 68 нм. ^[2] характерные масштабы длин составляют 100–1000 нм. ^[3]

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

Количественное описание дается:

{\frac {\partial \chi }{\partial t}}=\nabla \cdot (D\,\nabla \chi +D_{T}\,\chi (1-\chi )\,\nabla T)

$\chi$ концентрация частиц; $D$ коэффициент диффузии; и $D_{T}$ коэффициент термодиффузии. Частное обоих коэффициентов

S_{T}={\frac {D_{T}}{D}}

называется коэффициентом Соре.

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

Приложения

Термофоретическая сила имеет ряд практических применений. Основанием для применения является то, что, поскольку разные типы частиц движутся по-разному под действием градиента температуры, типы частиц могут быть разделены этой силой после того, как они смешаны вместе, или предотвратить смешивание, если они уже разделены.

Ионы примесей 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 возникать в любом направлении (вверх или вниз по градиенту температуры), в зависимости от используемых материалов. Термофоретическая сила использовалась в коммерческих осадителях для применений, аналогичных электростатическим осадителям . Он используется при производстве оптического волокна в процессах вакуумного осаждения . Это может быть важно как транспортный механизм при загрязнении . Также было показано, что термофорез может способствовать открытию лекарств , позволяя обнаруживать связывание аптамера путем сравнения движения связанной и несвязанной молекулы-мишени. ^[7] Этот подход получил название микромасштабного термофореза . ^[8]^[9] Кроме того, термофорез был продемонстрирован как универсальный метод манипулирования отдельными биологическими макромолекулами, такими как ДНК геномной длины и ВИЧ . вирус ^[10]^[11] в микро- и наноканалах посредством светоиндуцированного локального нагрева. ^[12] Термофорез — один из методов, используемых для разделения различных полимерных частиц при фракционировании в полевых условиях . ^[13]

История

Термофорез в газовых смесях был впервые обнаружен и описан Джоном Тиндалом в 1870 году и далее понят Джоном Страттом (бароном Рэлеем) в 1882 году. ^[14] Термофорез в жидких смесях впервые наблюдал и сообщил Карл Людвиг в 1856 году и далее понял Шарль Соре в 1879 году.

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

«Этот процесс диффузии... происходит в газах и жидкостях и даже в некоторых твердых телах... Динамическая теория также говорит нам, что произойдет, если позволить молекулам разной массы сталкиваться вместе. Чем 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 усовершенствовано доктором. Людвиг Больцман». ^[15]

Теоретически его проанализировал Сидни Чепмен .

Термофорез на границе раздела твердых тел был численно обнаружен Шоном и др. в 2006 году ^[16] и было экспериментально подтверждено Barreiro et al. ^[17]

Отрицательный термофорез в жидкостях впервые заметил в 1967 году Дуайер. ^[18] в теоретическом решении, а название придумал Соне. ^[19] Отрицательный термофорез на границе раздела твердых тел был впервые обнаружен Ленгом и др. ^[20] в 2016 году.

См. также

Ссылки

^ Талбот Л., Ченг Р.К., Шефер Р.В., Уиллис Д.Р. (1980). «Термофорез частиц в нагретом пограничном слое» (PDF) . Дж. Гидромеханика . 101 (4): 737–758. Бибкод : 1980JFM...101..737T . дои : 10.1017/S0022112080001905 .
^ Дженнингс, С. (1988). «Средний свободный путь в воздухе». Журнал аэрозольной науки . 19 (2): 159–166. Бибкод : 1988JAerS..19..159J . дои : 10.1016/0021-8502(88)90219-4 .
^ Кейт Ч., Деррик Дж. К. (апрель 1960 г.). «Измерение гранулометрического состава и концентрации сигаретного дыма методом «конифуги» ». Журнал коллоидной науки . 15 (4): 340–356. дои : 10.1016/0095-8522(60)90037-4 .
^ Дур С., Браун Д. (декабрь 2006 г.). «Почему молекулы движутся по градиенту температуры» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 103 (52): 19678–19682. Бибкод : 2006PNAS..10319678D . дои : 10.1073/pnas.0603873103 . ПМК 1750914 . ПМИД 17164337 .
^ Райнек П., Винкен С.Дж., Браун Д. (январь 2010 г.). «Термофорез одноцепочечной ДНК». Электрофорез . 31 (2): 279–286. дои : 10.1002/elps.200900505 . ПМИД 20084627 . S2CID 36614196 .
^ Дж. Хим. Физ. , 50, 4886, (1960)
^
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 . ПМИД 20186894 . S2CID 42489892 .
- «Горячий путь к новым лекарствам» . Физика.орг . 24 февраля 2010 г.
^ Винкен С.Дж. и др. (2010). «Анализ связывания белков в биологических жидкостях с использованием микромасштабного термофореза» . Природные коммуникации . 1 (7): 100. Бибкод : 2010NatCo...1..100W . дои : 10.1038/ncomms1093 . ПМИД 20981028 .
^ Иллюстрация устройства, основанного на микромасштабном термофорезе, на NanoTemper.de.
^ Чжао, Чао; Озтекин, Алпарслан; Ченг, Сюаньхун (24 ноября 2013 г.). «Измерение коэффициентов термодиффузии искусственных и биологических частиц в микрофлюидном чипе» . Бюллетень Американского физического общества . 58 . Бибкод : 2013APS..DFD.D6002Z . Проверено 7 апреля 2015 г.
^ Чжао, Чао; Фу, Цзиньсинь; Озтекин, Алпарслан; Ченг, Сюаньхун (1 октября 2014 г.). «Измерение коэффициента Соре наночастиц в разбавленной суспензии» . Журнал исследований наночастиц . 16 (10): 2625. Бибкод : 2014JNR....16.2625Z . дои : 10.1007/s11051-014-2625-6 . ПМК 4160128 . ПМИД 25221433 .
^ Тамдруп Л.Х., Ларсен Н.Б., Кристенсен А. (февраль 2010 г.). «Светоиндуцированный локальный нагрев для термофоретического манипулирования ДНК в полимерных микро- и наноканалах» . Нано-буквы . 10 (3): 826–832. Бибкод : 2010NanoL..10..826T . дои : 10.1021/nl903190q . ПМИД 20166745 .
^ Иллюстрация машины для фракционирования в термическом поле, основанной на термофорезе, используемой для разделения смешанных полимеров на Postnova.com. Архивировано 22 декабря 2018 г. на Wayback Machine.
^ Краткая история исследований термофореза приведена в Энциклопедии науки о поверхности и коллоидах , том 2 , опубликованной Taylor & Francisco, 2006 год. Оригинал Джона Тиндаля. статья 1870 года находится на сайте Archive.org .
^ «Молекулы» Джеймса Клерка Максвелла, опубликованные в сентябре 1873 года в Nature журнале . Воспроизведено на сайте Victorianweb.org .
^ Шон, Филипп А.Е.; Вальтер, Йенс Х.; Арчидиаконо, Сальваторе; Пуликакос, Димос; Кумутсакос, Петрос (1 сентября 2006 г.). «Движение наночастиц по спиральным дорожкам: термофоретический массоперенос через углеродные нанотрубки». Нано-буквы . 6 (9): 1910–1917. Бибкод : 2006NanoL...6.1910S . дои : 10.1021/nl060982r . ISSN 1530-6984 . ПМИД 16968000 . S2CID 29154934 .
^ Баррейро, Амелия; Рурали, Риккардо; Эрнандес, Эдуардо Р.; Мозер, Джоэл; Пихлер, Томас; Форро, Ласло; Бахтольд, Адриан (9 мая 2008 г.). «Субнанометровое движение грузов под воздействием температурных градиентов вдоль углеродных нанотрубок» . Наука . 320 (5877): 775–778. Бибкод : 2008Sci...320..775B . дои : 10.1126/science.1155559 . ISSN 1095-9203 . ПМИД 18403675 . S2CID 6026906 .
^ Дуайер, Гарри А. (1 мая 1967 г.). «Тринадцатиминутная теория тепловой силы, действующей на сферическую частицу». Физика жидкостей . 10 (5): 976–984. Бибкод : 1967PhFl...10..976D . дои : 10.1063/1.1762250 . ISSN 0031-9171 .
^ Соне, Ёсио (15 июля 1972 г.). «Поток, вызванный тепловым напряжением в разреженном газе». Журнал Физического общества Японии . 33 (1): 232–236. Бибкод : 1972JPSJ...33..232S . дои : 10.1143/JPSJ.33.232 . ISSN 0031-9015 .
^ 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 . дои : 10.1021/acs.nanolett.6b02815 . ISSN 1530-6984 . ПМИД 27626825 .

Внешние ссылки

Краткое введение в термофорез, включая полезную анимированную графику, можно найти на сайте aerosols.wustl.edu.
Термофорез ДНК в водном растворе на YouTube
Тройные смеси
HCl
Бромиды щелочных металлов

[Talbot-1] Талбот Л., Ченг Р.К., Шефер Р.В., Уиллис Д.Р. (1980). «Термофорез частиц в нагретом пограничном слое» (PDF) . Дж. Гидромеханика . 101 (4): 737–758. Бибкод : 1980JFM...101..737T . дои : 10.1017/S0022112080001905 .

[Jennings-2] Дженнингс, С. (1988). «Средний свободный путь в воздухе». Журнал аэрозольной науки . 19 (2): 159–166. Бибкод : 1988JAerS..19..159J . дои : 10.1016/0021-8502(88)90219-4 .

[Keith-3] Кейт Ч., Деррик Дж. К. (апрель 1960 г.). «Измерение гранулометрического состава и концентрации сигаретного дыма методом «конифуги» ». Журнал коллоидной науки . 15 (4): 340–356. дои : 10.1016/0095-8522(60)90037-4 .

[Duhr1-4] Дур С., Браун Д. (декабрь 2006 г.). «Почему молекулы движутся по градиенту температуры» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 103 (52): 19678–19682. Бибкод : 2006PNAS..10319678D . дои : 10.1073/pnas.0603873103 . ПМК 1750914 . ПМИД 17164337 .

[Reineck-5] Райнек П., Винкен С.Дж., Браун Д. (январь 2010 г.). «Термофорез одноцепочечной ДНК». Электрофорез . 31 (2): 279–286. дои : 10.1002/elps.200900505 . ПМИД 20084627 . S2CID 36614196 .

[6] Дж. Хим. Физ. , 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 . ПМИД 20186894 . S2CID 42489892 .
«Горячий путь к новым лекарствам» . Физика.орг . 24 февраля 2010 г.

[8] «Горячий путь к новым лекарствам» . Физика.орг . 24 февраля 2010 г.

[Wienken-8] Винкен С.Дж. и др. (2010). «Анализ связывания белков в биологических жидкостях с использованием микромасштабного термофореза» . Природные коммуникации . 1 (7): 100. Бибкод : 2010NatCo...1..100W . дои : 10.1038/ncomms1093 . ПМИД 20981028 .

[9] Иллюстрация устройства, основанного на микромасштабном термофорезе, на NanoTemper.de.

[10] Чжао, Чао; Озтекин, Алпарслан; Ченг, Сюаньхун (24 ноября 2013 г.). «Измерение коэффициентов термодиффузии искусственных и биологических частиц в микрофлюидном чипе» . Бюллетень Американского физического общества . 58 . Бибкод : 2013APS..DFD.D6002Z . Проверено 7 апреля 2015 г.

[11] Чжао, Чао; Фу, Цзиньсинь; Озтекин, Алпарслан; Ченг, Сюаньхун (1 октября 2014 г.). «Измерение коэффициента Соре наночастиц в разбавленной суспензии» . Журнал исследований наночастиц . 16 (10): 2625. Бибкод : 2014JNR....16.2625Z . дои : 10.1007/s11051-014-2625-6 . ПМК 4160128 . ПМИД 25221433 .

[12] Тамдруп Л.Х., Ларсен Н.Б., Кристенсен А. (февраль 2010 г.). «Светоиндуцированный локальный нагрев для термофоретического манипулирования ДНК в полимерных микро- и наноканалах» . Нано-буквы . 10 (3): 826–832. Бибкод : 2010NanoL..10..826T . дои : 10.1021/nl903190q . ПМИД 20166745 .

[13] Иллюстрация машины для фракционирования в термическом поле, основанной на термофорезе, используемой для разделения смешанных полимеров на Postnova.com. Архивировано 22 декабря 2018 г. на Wayback Machine.

[14] Краткая история исследований термофореза приведена в Энциклопедии науки о поверхности и коллоидах , том 2 , опубликованной Taylor & Francisco, 2006 год. Оригинал Джона Тиндаля. статья 1870 года находится на сайте Archive.org .

[15] «Молекулы» Джеймса Клерка Максвелла, опубликованные в сентябре 1873 года в Nature журнале . Воспроизведено на сайте Victorianweb.org .

[16] Шон, Филипп А.Е.; Вальтер, Йенс Х.; Арчидиаконо, Сальваторе; Пуликакос, Димос; Кумутсакос, Петрос (1 сентября 2006 г.). «Движение наночастиц по спиральным дорожкам: термофоретический массоперенос через углеродные нанотрубки». Нано-буквы . 6 (9): 1910–1917. Бибкод : 2006NanoL...6.1910S . дои : 10.1021/nl060982r . ISSN 1530-6984 . ПМИД 16968000 . S2CID 29154934 .

[17] Баррейро, Амелия; Рурали, Риккардо; Эрнандес, Эдуардо Р.; Мозер, Джоэл; Пихлер, Томас; Форро, Ласло; Бахтольд, Адриан (9 мая 2008 г.). «Субнанометровое движение грузов под воздействием температурных градиентов вдоль углеродных нанотрубок» . Наука . 320 (5877): 775–778. Бибкод : 2008Sci...320..775B . дои : 10.1126/science.1155559 . ISSN 1095-9203 . ПМИД 18403675 . S2CID 6026906 .

[18] Дуайер, Гарри А. (1 мая 1967 г.). «Тринадцатиминутная теория тепловой силы, действующей на сферическую частицу». Физика жидкостей . 10 (5): 976–984. Бибкод : 1967PhFl...10..976D . дои : 10.1063/1.1762250 . ISSN 0031-9171 .

[19] Соне, Ёсио (15 июля 1972 г.). «Поток, вызванный тепловым напряжением в разреженном газе». Журнал Физического общества Японии . 33 (1): 232–236. Бибкод : 1972JPSJ...33..232S . дои : 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 . дои : 10.1021/acs.nanolett.6b02815 . ISSN 1530-6984 . ПМИД 27626825 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]