Termoforézis

A termoforézis (említik még termodiffúzió, Soret-effektus vagy Ludwig–Soret-effektus neveken is) jelensége során a gázokban, vagy folyadékokban a kis méretű részecskék (például levegőben porszemcsék, füst, korom) a környezetük hőmérséklete és méretük szerint eltérő irányban diffundálnak. Termoforézis hatására a kisebb tömegű részecskék és molekulák a melegebb, a nehéz részecskék pedig a hidegebb részbe vándorolnak., vagyis a részecskék mozgása méretüktől függően reagál a hőmérsékleti gradiensre. A termoforézis elnevezést leggyakrabban olyan aeroszol keverékek esetén használják, amikor a $\lambda$ átlagos szabad úthossz összemérhető az $L$ , jellemző hosszúsággal (ez gömb alakú részecskékre a sugaruk)^[1]. A Soret-effektus kifejezés általában folyékony elegyek esetén használják. Ezek, a gáznemű elegyekétől eltérő, kevésbé jól ismert mechanizmusok szerint viselkednek.

Termoforetikus erő

A jelenség milliméteres, vagy az alatti mérettartományba eső részecskék esetékben jellemző. Példaképp figyeljük meg, hogy mi történik egy szobai fűtőtest körül a dohányfüsttel. A felmelegedett levegő áramlása magával sodorja és a füst eltávolodik a fűtőtest közvetlen közeléből. A fűtőtesthez legközelebbi levegő felmelegszik és a felületétől távoldó gyors áramlás jön létre a hőmérsékleti gradiens mentén. A levegő részecskéinek mozgási energiája ( $E={1 \over 2}mv^{2}$ ) nagyjából azonos, ugyanazon a hőmérsékleten. A könnyebb (kisebb $m$ ) részecskék nagyobb $v$ sebességre tesznek szert, mint a nehezebbek. Amikor ezek a különböző tömegű és sebességű levegőrészecskék ütköznek a dohányfüst nagy, lassabban mozgó részecskéivel átadják nekik a $p=mv$ lendületüket és ellökik azokat a fűtőtesttől. A nagyobb szemcséket messzebbre a levegő hidegebb tartományba, míg a kisebbek inkább visszamaradnak a melegebb levegőben. Ez a füstrészecskékre ható taszítás a levegőben kialakuló termodiffúziós erő, melyre ebben az esetben a $\lambda$ átlagos szabad úthossz nagyjából 68 nm,^[2] az $L$ karakterisztikus hossz pedig a 100 nm–1000 nm tartományban van.^[3]

Egy másik példa a termodiffúzióra, hogy a petróleumlámpa üvege bekormozódik. Égés során ugyanis, nagyobb méretű koromszemcsék keletkeznek, amelyeket a termodiffúzió eltaszít a láng forró környezetéből a jóval hidegebb lámpaüveg körüli hidegebb levegő irányába. Mikor elérik az üveget és nekiütköznek, rátapadnak.^[1]

A termodiffúziót „pozitívnak” nevezzük, ha a részecskék melegebb tartományból hidegebb tartományba mozognak, és „negatívnak”, ha fordított a helyzet. Jellemzően a keverékben lévő nehezebb/nagyobb részecskék mutatnak pozitív termoforetikus viselkedést, míg a könnyebb/kisebb részecskék negatívat. A különböző részecsketípusok mérete és a hőmérsékleti gradiens meredeksége mellett a részecskék hővezető képessége és hőelnyelése is szerepet játszik. A termoforetikus erőre Epstein 1929-ben ezt a közelítést adta a gázban eloszlatott, gömb alakú részecskékre:^[1]

$F=-{\frac {9\pi \eta \nu R\nabla T}{T_{0}}}{\Bigl (}{\frac {k_{g}}{k_{p}+2k_{g}}}{\Bigr )}$

Ahol $R$ a részecske sugara, $\mu$ a gáz dinamikai viszkozitása, $\rho$ a gáz sűrűsége $\nu =\eta /\rho$ a gáz kinematikus viszkozitása, $T_{0}$ a gáz átlagos hőmérséklete a részecske környezetében, $\nabla T$ a hőmérsékleti gradiens (hőmérséklet különbség a hidegebb és a melegebb rész között), $k_{g}$ és $k_{p}$ a gáz, illetve a részecske hővezető képessége. Az így számított termoforetikus erő értékei jó egyezést mutatnak a kísérletekben mértekkel, ha a rendszer igaz, hogy $\lambda /L\lesssim 1$ (ez a hányados a Kundsen-szám^[4]) Itt $\lambda$ az átlagos szabad úthossz a gázban és gömb alakú részecskékre $L=R$ .

Braun és munkatársai a közelmúltbeli feltételezése szerint a molekulák hidratációs héjának töltése és entrópiája játszik fő szerepet a biomolekulák vizes oldatokban megfigyelhető termoforézisében.^[5]^[6]

A $\chi$ részecske koncentráció időbeli változásának gyorsaságát a következőképpen adjuk meg:

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

$\chi$ részecske koncentráció

$D$ diffúziós együttható

$D_{T}$ termodiffúziós együttható.

Ezek hányadosa a Soret-együttható:

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

ez elméletileg is meghatározható a gázkeverékbeli kölcsönhatások ismeretében, melyek ismert molekula modellek alapján számíthatók.

Mikroskálás termoforézis

Amikor a részecskék egy hőmérsékleti gradiensben vannak (vagyis van egy melegebb és egy hidegebb térfogatrész, köztük $\Delta T$ hőmérséklet különbséggel) ilyenkor megfigyelhető, hogy a részecskék a melegebb részből a hidegebbe mennek át. Koncentrációjuk arányát a következő összefüggés írja le:

${\frac {c_{meleg}}{c_{hideg}}}=e^{-S_{T}\Delta T}$

A $\Delta T$ hőmérséklet különbség, a melegebb, illetve hidegebb helyen mért részecske koncentrációk ismeretében meghatározható a részecskék Soret-együtthatója^[7]. Ha megváltozik a részecske tömege, vagy alakja az diffúziós tulajdonságaira, így a Soret-együtthatóra is hatással van. Ezzel a technikával például kémiai kötések létrejöttét lehet nyomon követni.

Alkalmazások

A termoforetikus erőt számos gyakorlati célra alkalmazzák. Legtöbbször azt kihasználva, hogy a különböző részecsketípusok eltérően mozognak a hőmérsékleti gradiens hatására, ezért termoforetikus erővel ezek szétválaszthatók, vagy ha már szétválasztottuk őket, megakadályozható hogy összekeveredjenek újra.

A félvezető lapkában a szennyező ionok mozoghatnak a lapka hideg oldaláról a meleg oldala felé, mivel a magasabb hőmérséklet megkönnyíti az atomok ugrásait (az ehhez szükséges magasabb energiájú állapot kialakulását). A diffúzió lehetséges mindkét irányban, a melegebb rész felé, vagy a hidegebb rész felé. Iránya attól függ, hogy milyen anyagokról (atomokról) van szó.
Kereskedelmi forgalomban kapható részecske leválasztókban alkalmazzák, az elektrosztatikus leválasztókhoz hasonló célokra (például levegőtisztításhoz a benne lebegő por, füst leválasztására).
Optikai szálak gyártásában a termodiffúziónak a vákuumos leválasztási folyamatokban veszik hasznát.
A termoforézis fontos szerepet játszhat a szennyeződések lerakódásában (így a lerakódás megakadályozásában is).
Hasznos lehet a termoforézis a gyógyszerkutatásban, mivel lehetővé teszi például az aptamer kötődésének érzékelését. Annak a célmolekulának ugyanis, amihez kikötött az aptamer, megváltozik a mozgása (diffúziója) a megváltozott termoforézis eredményeként.^[8] Ezt a megközelítést mikroskálájú termoforézisnek nevezik.^[7]^[9]
Sokoldalú technikának bizonyult a termoforézis egyes biológiai makromolekulák, például a teljes hosszúságú DNS és HIV- vírus^[10]^[11] manipulálására mikro- és nanocsatornákban, fénnyel végzett helyi melegítés segítségével.^[12]
A termoforézis az egyik fizikai hatás, amelyet a különböző polimer részecskék szétválasztására használnak az áramlásteres szétválasztás során.^[13]^[14]
A kriptontöltésű izzólámpák hosszabb életteratamúak. Az izzólámpák búrájának légritkított terű belsejében működő wolfram izzószálról apró fémrészecskék válnak le. Fogy az anyaga, a szál vékonyodik és az izzólámpa végül emiatt ég ki. Az új izzószálnak előbb-utóbb lesz egy kis szakasza, ami vékonyodni kezd és nő az ellenállása az izzószál többi részének, ami vele elektromosan soros kapcsolásban van, marad az ami volt. Az Ohm-törvény szerint, ilyenkor megnő a rajta eső $U$ feszültség, (a soros kapcsolás miatt változatlan $U$ áramerősség mellett) így az ott leadott elektromos teljesítmény is ( $P=U\cdot {I}$ ). Minél vékonyabb az izzószál, azon a részen, annál forróbb lesz. Minél forróbb, annál gyorsabban vékonyodik. A Kr (kripton) töltésű izzólámpa esetén azonban, a termoforézisnek köszönhetően mindig az izzószál legvékonyabb (legforróbb) pontjára rakódnak le a legnagyobb méretű wolfram részecskék. Visszavastagítva a szálat, ezzel jelentősen megnövelve az izzólámpa élettartamát.^[15]

Felfedezésének története

A gázelegyekben lejátszódó termoforézist először John Tyndall figyelte meg és írta le 1870-ben, majd John Strutt (lord Rayleigh) adott rá tudományos magyarázatot 1882-ben. A folyadékelegyekben lejátszódó termoforézist először Carl Ludwig figyelte meg és írta le 1856-ban, majd Charles Soret adott rá tudományos magyarázatot 1879-ben.

James Clerk Maxwell 1873-ban a következőket írta különböző típusú molekulák keverékeiről (és ez magában foglalhatta a molekuláknál nagyobb apró részecskéket is):

„Ez a diffúziós folyamat... gázokban, folyadékokban, sőt egyes szilárd anyagokban is végbemegy...ha különböző tömegű molekulákat hagyunk együtt mozogni. A nagyobb tömegűek lassabban mozognak, mint a kisebbek, így átlagosan minden molekula, legyen az nagy, vagy kicsi, azonos mozgási energiával rendelkezik. Ennek a dinamikai tételnek a bizonyítását, amelyben én igényt tartok az elsőbbségre, Dr. Ludwig Boltzmann nemrégiben jelentősen továbbfejlesztette és tökéletesítette. ”

A termodiffúzió jelenségét, elméleti szempontból Sydney Chapman elemezte.

Schoen és munkatársai, szimulációs számításai alapján a szilárdtest határfelületeken történő termoforézis létezését előre jelezték 2006-ban^[16] Később ezt a feltételezést Barreiro és munkatársai erősítették meg kísérletileg .^[17]

A folyadékokban fellépő negatív termoforézist létezését először 1967-ben Dwyer^[18] említette egy elméleti megoldásban, a jelenséget pedig Sone nevezte el.^[19] A szilárd anyagok határfelületein fellépő negatív termoforézist Leng és munkatársai ^[20] figyelték meg először 2016-ban.

Jegyzetek

↑ ^a ^b ^c (1980. január 14.) „Thermophoresis of particles in a heated boundary layer”. J. Fluid Mech. 101 (4), 737–758. o. DOI:10.1017/S0022112080001905.
↑ Jennings, S (1988). „The mean free path in air”. Journal of Aerosol Science 19 (2), 159–166. o. DOI:10.1016/0021-8502(88)90219-4.
↑ (1960. április 1.) „Measurement of the particle size distribution and concentration of cigarette smoke by the "conifuge"”. Journal of Colloid Science 15 (4), 340–356. o. DOI:10.1016/0095-8522(60)90037-4.
↑ Knudsen number. (Hozzáférés: 2025. szeptember 21.)
↑ (2006. december 1.) „Why molecules move along a temperature gradient”. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103 (52), 19678–19682. o. DOI:10.1073/pnas.0603873103. PMID 17164337. PMC 1750914. (Hozzáférés: Hiba: Érvénytelen idő.)
↑ (2010. január 1.) „Thermophoresis of single stranded DNA”. Electrophoresis 31 (2), 279–286. o. DOI:10.1002/elps.200900505. PMID 20084627.
↑ ^a ^b 5.4.1. Mikroskálás termoforézis (MST) és rációmetrikus fluoreszcencia (RF) mérés., Mikroskálás termoforézis (MST) (55. oldal), 55. o.
↑ (2010. február 1.) „Optical Thermophoresis for Quantifying the Buffer Dependence of Aptamer Binding”. Angewandte Chemie International Edition 49 (12), 2238–2241. o. DOI:10.1002/anie.200903998. PMID 20186894.
↑ (2010-10-19) „Protein-binding assays in biological liquids using microscale thermophoresis”. Nature Communications 1 (7), 100. o. DOI:10.1038/ncomms1093. PMID 20981028. (Hozzáférés: Hiba: Érvénytelen idő.)
↑ Zhao (2013. október 24.). „Measuring the thermal diffusion coefficients of artificial and biological particles in a microfluidic chip”. Bulletin of the American Physical Society 58. (Hozzáférés: 2015. április 7.)
↑ Zhao (2014. október 1.). „Measuring the Soret coefficient of nanoparticles in a dilute suspension”. Journal of Nanoparticle Research 16 (10), 2625. o. DOI:10.1007/s11051-014-2625-6. PMID 25221433. PMC 4160128.
↑ (2010. február 1.) „Light-Induced Local Heating for Thermophoretic Manipulation of DNA in Polymer Micro- and Nanochannels”. Nano Letters 10 (3), 826–832. o. DOI:10.1021/nl903190q. PMID 20166745.
↑ Field flow fractionation. (Hozzáférés: 2025. szeptember 21.)
↑ An illustration of a Thermal Field Flow Fractionation Machine based on thermophoresis used to separate mixed polymers at Postnova.com Archiválva 2018. december 22-i dátummal a Wayback Machine-ben.
↑ A kriptontöltésű wolframszálas izzólámpa. (Hozzáférés: 2025. szeptember 3.)
↑ Schoen (2006. szeptember 1.). „Nanoparticle Traffic on Helical Tracks: Thermophoretic Mass Transport through Carbon Nanotubes”. Nano Letters 6 (9), 1910–1917. o. DOI:10.1021/nl060982r. ISSN 1530-6984. PMID 16968000.
↑ Barreiro (2008. május 9.). „Subnanometer motion of cargoes driven by thermal gradients along carbon nanotubes”. Science 320 (5877), 775–778. o. DOI:10.1126/science.1155559. ISSN 1095-9203. PMID 18403675. (Hozzáférés: Hiba: Érvénytelen idő.)
↑ Dwyer (1967. május 1.). „Thirteen-Moment Theory of the Thermal Force on a Spherical Particle”. Physics of Fluids 10 (5), 976–984. o. DOI:10.1063/1.1762250. ISSN 0031-9171.
↑ Sone (1972. július 15.). „A Flow Induced by Thermal Stress in Rarefied Gas”. Journal of the Physical Society of Japan 33 (1), 232–236. o. DOI:10.1143/JPSJ.33.232. ISSN 0031-9015.
↑ Leng (2016. október 12.). „Negative Thermophoresis in Concentric Carbon Nanotube Nanodevices”. Nano Letters 16 (10), 6396–6402. o. DOI:10.1021/acs.nanolett.6b02815. ISSN 1530-6984. PMID 27626825.

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a Thermophoresis című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

[Talbot-1] (1980. január 14.) „Thermophoresis of particles in a heated boundary layer”. J. Fluid Mech. 101 (4), 737–758. o. DOI:10.1017/S0022112080001905.

[Jennings-2] Jennings, S (1988). „The mean free path in air”. Journal of Aerosol Science 19 (2), 159–166. o. DOI:10.1016/0021-8502(88)90219-4.

[Keith-3] (1960. április 1.) „Measurement of the particle size distribution and concentration of cigarette smoke by the "conifuge"”. Journal of Colloid Science 15 (4), 340–356. o. DOI:10.1016/0095-8522(60)90037-4.

[4] Knudsen number. (Hozzáférés: 2025. szeptember 21.)

[Duhr1-5] (2006. december 1.) „Why molecules move along a temperature gradient”. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103 (52), 19678–19682. o. DOI:10.1073/pnas.0603873103. PMID 17164337. PMC 1750914. (Hozzáférés: Hiba: Érvénytelen idő.)

[Reineck-6] (2010. január 1.) „Thermophoresis of single stranded DNA”. Electrophoresis 31 (2), 279–286. o. DOI:10.1002/elps.200900505. PMID 20084627.

[:0-7] 5.4.1. Mikroskálás termoforézis (MST) és rációmetrikus fluoreszcencia (RF) mérés., Mikroskálás termoforézis (MST) (55. oldal), 55. o.

[8] (2010. február 1.) „Optical Thermophoresis for Quantifying the Buffer Dependence of Aptamer Binding”. Angewandte Chemie International Edition 49 (12), 2238–2241. o. DOI:10.1002/anie.200903998. PMID 20186894.

[Wienken-9] (2010-10-19) „Protein-binding assays in biological liquids using microscale thermophoresis”. Nature Communications 1 (7), 100. o. DOI:10.1038/ncomms1093. PMID 20981028. (Hozzáférés: Hiba: Érvénytelen idő.)

[10] Zhao (2013. október 24.). „Measuring the thermal diffusion coefficients of artificial and biological particles in a microfluidic chip”. Bulletin of the American Physical Society 58. (Hozzáférés: 2015. április 7.)

[11] Zhao (2014. október 1.). „Measuring the Soret coefficient of nanoparticles in a dilute suspension”. Journal of Nanoparticle Research 16 (10), 2625. o. DOI:10.1007/s11051-014-2625-6. PMID 25221433. PMC 4160128.

[12] (2010. február 1.) „Light-Induced Local Heating for Thermophoretic Manipulation of DNA in Polymer Micro- and Nanochannels”. Nano Letters 10 (3), 826–832. o. DOI:10.1021/nl903190q. PMID 20166745.

[13] Field flow fractionation. (Hozzáférés: 2025. szeptember 21.)

[14] An illustration of a Thermal Field Flow Fractionation Machine based on thermophoresis used to separate mixed polymers at Postnova.com Archiválva 2018. december 22-i dátummal a Wayback Machine-ben.

[15] A kriptontöltésű wolframszálas izzólámpa. (Hozzáférés: 2025. szeptember 3.)

[16] Schoen (2006. szeptember 1.). „Nanoparticle Traffic on Helical Tracks: Thermophoretic Mass Transport through Carbon Nanotubes”. Nano Letters 6 (9), 1910–1917. o. DOI:10.1021/nl060982r. ISSN 1530-6984. PMID 16968000.

[17] Barreiro (2008. május 9.). „Subnanometer motion of cargoes driven by thermal gradients along carbon nanotubes”. Science 320 (5877), 775–778. o. DOI:10.1126/science.1155559. ISSN 1095-9203. PMID 18403675. (Hozzáférés: Hiba: Érvénytelen idő.)

[18] Dwyer (1967. május 1.). „Thirteen-Moment Theory of the Thermal Force on a Spherical Particle”. Physics of Fluids 10 (5), 976–984. o. DOI:10.1063/1.1762250. ISSN 0031-9171.

[19] Sone (1972. július 15.). „A Flow Induced by Thermal Stress in Rarefied Gas”. Journal of the Physical Society of Japan 33 (1), 232–236. o. DOI:10.1143/JPSJ.33.232. ISSN 0031-9015.

[20] Leng (2016. október 12.). „Negative Thermophoresis in Concentric Carbon Nanotube Nanodevices”. Nano Letters 16 (10), 6396–6402. o. DOI:10.1021/acs.nanolett.6b02815. ISSN 1530-6984. PMID 27626825.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]