Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Термофорез (также термомиграция , термодиффузия , эффект Соре или эффект Людвига – Соре ) - это явление, наблюдаемое в смесях мобильных частиц, где разные типы частиц демонстрируют разные реакции на силу температурного градиента . Термин термофореза чаще всего применяется к аэрозольных смесей которых средняя длина свободного пробега сравнима с характерным масштабом длины , [1] , но и может обычно относятся к явлению во всех фазах материи . Термин эффект Сореобычно 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. [ необходима цитата ]

Термофоретическая сила [ править ]

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 оттолкнула частицы дыма от стержня, является примером термофоретической силы, так как средний свободный пробег воздуха в условиях окружающей среды составляет 68 нм [2]а характерные масштабы длины находятся в пределах 100-1000 нм. [3]

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. [4] [5]

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 [6]

Приложения [ править ]

Термофоретическая сила имеет ряд практических применений. Основа для приложений заключается в том, что, поскольку различные типы частиц по-разному движутся под действием 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 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 облегчитьоткрытие лекарств , позволяя обнаруживать связывание аптамера путем сравнения связанного и несвязанного движения молекулы-мишени. [7] Этот подход получил название термофореза на микромасштабах . [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 индуцированных светом локальных обогрев. [12] Термофорез - один из методов, используемых для разделения различных полимерных частиц при фракционировании в полевом потоке .[13]

История [ править ]

Термофорез в газовых смесях был впервые обнаружен и описан Джоном Тиндаллом в 1870 году и в дальнейшем изучен Джоном Струттом (барон Рэлей) в 1882 году. [14] Термофорез в жидких смесях впервые наблюдал и сообщил Карл Людвиг в 1856 году и впоследствии понял Чарльз Соре. в 1879 г.

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.Доказательство этой динамической теоремы, в которой я претендую на приоритет, недавно было значительно развито и улучшено доктором Людвиг Больцманн ". [15]

Теоретически это проанализировал Сидней Чепмен .

Термофорез на границах раздела твердых тел был численно обнаружен Schoen et al. в 2006 г. [16] и было экспериментально подтверждено Barreiro et al. [17]

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

См. Также [ править ]

  • Микромасштабный термофорез
  • Осаждение (физика аэрозолей)
  • Эффект Дюфура
  • Диффузия Максвелла – Стефана

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Talbot L, Cheng RK, Schefer RW, Willis DR (1980). «Термофорез частиц в нагретом пограничном слое». J. Fluid Mech . 101 (4): 737–758. DOI : 10.1017 / S0022112080001905 .
  2. Перейти ↑ Jennings, S (1988). «Средняя длина свободного пробега в воздухе». Журнал аэрозольной науки . 19 (2). DOI : 10.1016 / 0021-8502 (88) 90219-4 .
  3. Перейти ↑ Keith CH, Derrick JC (апрель 1960). «Измерение распределения частиц по размерам и концентрации сигаретного дыма с помощью„conifuge “ ». Журнал коллоидной науки . 15 (4): 340–356. DOI : 10.1016 / 0095-8522 (60) 90037-4 .
  4. ^ Duhr S, Braun D (декабрь 2006). «Почему молекулы движутся по температурному градиенту» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 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 . 
  6. ^ J. Chem. Phys. , 50, 4886, (1960)
  7. ^ Baaske P, Wienken CJ, Reineck P, S Duhr, Braun D (февраль 2010). «Оптический термофорез для количественной оценки буферной зависимости связывания аптамера» . Angewandte Chemie International Edition . 49 (12): 2238–2241. DOI : 10.1002 / anie.200903998 . PMID 20186894 . Краткое содержание - Phsyorg.com . 
  8. ^ Винкен CJ и др. (2010). «Анализы связывания белков в биологических жидкостях с использованием термофореза на микроуровне» . Nature Communications . 1 (7): 100. Bibcode : 2010NatCo ... 1..100W . DOI : 10.1038 / ncomms1093 . PMID 20981028 . 
  9. ^ Иллюстрация устройства на основе микромасштабного термофореза на NanoTemper.de
  10. ^ Чжао, Чао; Озтекин, Альпарслан; Ченг, Сюаньхун (24 ноября 2013 г.). «Измерение коэффициентов термодиффузии искусственных и биологических частиц в микрожидкостном чипе» . Бюллетень Американского физического общества . 58 . Проверено 7 апреля 2015 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  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, Ларсен NB, Кристенсен A (февраль 2010). "Локальное нагревание под действием света для термофоретической манипуляции ДНК в полимерных микро- и наноканалах" . Нано-буквы . 10 (3): 826–832. Bibcode : 2010NanoL..10..826T . DOI : 10.1021 / nl903190q . PMID 20166745 . Краткое содержание - Phsyorg.com . 
  13. ^ Иллюстрация машины фракционирования потока в тепловом поле на основе термофореза, используемой для разделения смешанных полимеров на Postnova.com
  14. ^ Краткая история исследований термофореза находится в Энциклопедии поверхностных и коллоидных наук , том 2 , опубликованном Тейлором и Фрэнсисом в 2006 году. Оригинальная статья Джона Тиндалла за 1870 год находится на сайте Archive.org .
  15. ^ "Молекулы" Джеймса Клерка Максвелла, опубликованные в сентябре 1873 года в журнале " Nature" . Воспроизведено в Интернете на сайте Victorianweb.org .
  16. ↑ Schoen, Philipp AE; Walther, Jens H .; Арчидиаконо, Сальваторе; Пуликакос, Димос; Комутсакос, Петрос (01.09.2006). "Движение наночастиц по спиральным дорожкам: термофоретический перенос массы через углеродные нанотрубки" . Нано-буквы . 6 (9): 1910–1917. Bibcode : 2006NanoL ... 6.1910S . DOI : 10.1021 / nl060982r . ISSN 1530-6984 . PMID 16968000 .  
  17. ^ Баррейро, Амелия; Рурали, Риккардо; Эрнандес, Эдуардо Р.; Мозер, Джоэл; Пихлер, Томас; Форро, Ласло; Бахтольд, Адриан (2008-05-09). «Субнанометровое движение грузов за счет температурных градиентов по углеродным нанотрубкам». Наука . 320 (5877): 775–778. Bibcode : 2008Sci ... 320..775B . DOI : 10.1126 / science.1155559 . ISSN 1095-9203 . PMID 18403675 .  
  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. ^ Соня, Yoshio (1972-07-15). «Течение, вызванное тепловым 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 (2016-10-12). «Отрицательный термофорез в нанотрубках из концентрических углеродных нанотрубок». Нано-буквы . 16 (10): 6396–6402. Bibcode : 2016NanoL..16.6396L . DOI : 10.1021 / acs.nanolett.6b02815 . ISSN 1530-6984 . PMID 27626825 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Краткое введение в термофорез, включая полезную анимированную графику, находится на сайте aerosols.wustl.edu.
  • Термофорез ДНК в водном растворе на YouTube
  • тройные смеси
  • HCl
  • бромиды щелочных металлов