Termofores

Termofores (även termomigration , termodiffusion , Soret-effekten eller Ludwig-Soret-effekten ) är ett fenomen som observeras i blandningar av rörliga partiklar där de olika partikeltyperna uppvisar olika svar på kraften från en temperaturgradient . Detta fenomen tenderar att flytta lätta molekyler till heta områden och tunga molekyler till kalla områden. Termen termofores gäller oftast aerosolblandningar vars medelfria bana $\lambda$ är jämförbar med dess karakteristiska längdskala $L$ , men kan också vanligt referera till fenomenet i alla faser av materien . Begreppet Soret-effekt gäller normalt flytande blandningar, som beter sig enligt andra, mindre välkända mekanismer än gasblandningar . Termofores kanske inte gäller termomigration i fasta ämnen, särskilt flerfaslegeringar.

Termoforetisk kraft

Fenomenet observeras i en skala av en millimeter eller mindre. Ett exempel som kan observeras med blotta ögat med bra belysning är när den heta staven på en elektrisk värmare är omgiven av tobaksrök: röken går bort från den omedelbara närheten av den heta staven. Eftersom de små luftpartiklarna närmast den heta staven värms upp skapar de ett snabbt flöde bort från staven, nedför temperaturgradienten. De har fått högre kinetisk energi med sin högre temperatur. När de kolliderar med de stora, långsammare rörliga partiklarna i tobaksröken trycker de bort den senare från staven. Kraften som har tryckt bort rökpartiklarna från staven är ett exempel på en termoforetisk kraft, eftersom den genomsnittliga fria luftvägen vid omgivningsförhållanden är 68 nm och de karakteristiska längdskalorna är mellan 100-1000 nm.

Termodiffusion betecknas som "positiv" när partiklar rör sig från en varm till kall region och "negativ" när det omvända är sant. Typiskt uppvisar de tyngre/större arterna i en blandning positivt termoforetiskt beteende medan de lättare/mindre arterna uppvisar negativt beteende. Förutom storleken på de olika typerna av partiklar och brantheten i temperaturgradienten spelar partiklarnas värmeledningsförmåga och värmeabsorption en roll. Nyligen har Braun och medarbetare föreslagit att laddningen och entropin av hydratiseringsskalet hos molekyler spelar en viktig roll för termoforesen av biomolekyler i vattenlösningar.

Den kvantitativa beskrivningen ges av:

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

$\chi$ partikelkoncentration; $D$ diffusionskoefficient; och $D_{T}$ termodiffusionskoefficienten. Kvoten för båda koefficienterna

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

kallas Soret-koefficient.

Termoforesfaktorn har beräknats från molekylära interaktionspotentialer härledda från kända molekylära modeller

Ansökningar

Den termoforetiska kraften har ett antal praktiska tillämpningar. Grunden för applikationer är att, eftersom olika partikeltyper rör sig olika under kraften från temperaturgradienten, kan partikeltyperna separeras med den kraften efter att de har blandats ihop, eller förhindras från att blandas om de redan är separerade.

Föroreningsjoner kan röra sig från den kalla sidan av en halvledarskiva mot den heta sidan, eftersom den högre temperaturen gör övergångsstrukturen som krävs för atomhopp mer möjlig att uppnå. Det diffusiva flödet kan ske i endera riktningen (antingen uppåt eller nedåt i temperaturgradienten), beroende på de inblandade materialen. Termoforetisk kraft har använts i kommersiella filteravskiljare för tillämpningar som liknar elektrostatiska filter . Det utnyttjas vid tillverkning av optisk fiber i vakuumavsättningsprocesser . Det kan vara viktigt som transportmekanism vid nedsmutsning . Termofores har också visat sig ha potential för att underlätta upptäckt av läkemedel genom att tillåta detektering av aptamerbindning genom jämförelse av den bundna kontra obundna rörelsen hos målmolekylen. Detta tillvägagångssätt har kallats termofores i mikroskala . Dessutom har termofores visats som en mångsidig teknik för att manipulera enstaka biologiska makromolekyler, såsom genomisk längd DNA och HIV- virus i mikro- och nanokanaler med hjälp av ljusinducerad lokal uppvärmning. Termofores är en av metoderna som används för att separera olika polymerpartiklar i fältflödesfraktionering .

Historia

Termofores i gasblandningar observerades och rapporterades först av John Tyndall 1870 och förstods ytterligare av John Strutt (Baron Rayleigh) 1882. Termofores i flytande blandningar observerades och rapporterades först av Carl Ludwig 1856 och förstods ytterligare av Charles Soret 1879.

James Clerk Maxwell skrev 1873 om blandningar av olika typer av molekyler (och detta kan inkludera små partiklar större än molekyler):

"Denna diffusionsprocess ... pågår i gaser och vätskor och till och med i vissa fasta ämnen ... Den dynamiska teorin berättar också för oss vad som kommer att hända om molekyler med olika massor tillåts knacka runt tillsammans. De större massorna kommer att gå långsammare än de mindre, så att i genomsnitt varje molekyl, stor som liten, kommer att ha samma rörelseenergi. Beviset för detta dynamiska teorem, i vilket jag hävdar prioritet, har nyligen utvecklats och förbättrats avsevärt av Dr. . Ludwig Boltzmann."

Det har analyserats teoretiskt av Sydney Chapman .

Termofores vid fasta gränssnitt upptäcktes numeriskt av Schoen et al. 2006 och bekräftades experimentellt av Barreiro et al.

Negativ termofores i vätskor märktes först 1967 av Dwyer i en teoretisk lösning, och namnet myntades av Sone. Negativ termofores vid fastämnesgränssnitt observerades först av Leng et al. under 2016.

Se även

• Termofores i mikroskala
• Deposition (aerosolfysik)
• Dufour effekt
• Maxwell–Stefan diffusion

externa länkar

• En kort introduktion till termofores, inklusive användbar animerad grafik, finns på aerosols.wustl.edu
• på YouTube
• ternära blandningar
• HCl
• alkalibromider