Fotoforeza

Prin fotoforeză înțelegem fenomenul prin care particulele mici suspendate în gaze ( aerosoli ) sau lichide ( hidrocoloizi ) încep să se miște atunci când sunt iluminate de un fascicul de lumină suficient de intens. Existența acestui fenomen se datorează unei distribuții inegale a temperaturii unei particule iluminate într-un fluid . ^[1] Indiferent de fotoforeză, într-un amestec fluid de diferite tipuri de particule, migrarea unor tipuri de particule se poate datora diferențelor în absorbția lor a radiației termice și a altor efecte termice cunoscute în mod colectiv sub numele de termoforeză . În fotoforeza cu laser, particulele migrează de îndată ce au un indice de refracție diferit de mediul înconjurător. Migrarea particulelor este de obicei posibilă atunci când laserul este slab sau deloc focalizat. O particulă cu un indice de refracție mai mare decât molecula din jur se îndepărtează de sursa de lumină datorită transferului de impuls din fotonii luminii absorbite și împrăștiate. Aceasta se numește forța presiunii radiației . Această forță depinde de intensitatea luminii și de dimensiunea particulelor, dar nu are nimic de-a face cu mediul înconjurător. La fel ca în radiometrul Crookes , lumina se poate încălzi pe o parte și moleculele de gaz sări de pe acea suprafață cu o viteză mai mare, apoi împing particulele pe cealaltă parte. În anumite condiții, cu particule cu un diametru comparabil cu lungimea de undă a luminii, apare fenomenul unei fotoforeze indirecte negative, datorită generației diferite de căldură pe iradierea cu laser între partea din spate și partea din față a particulelor, acest lucru produce un gradient de temperatură în mijloc, în jurul particulei, astfel încât moleculele de pe partea îndepărtată a particulei de la sursa de lumină se pot încălzi mai mult, determinând deplasarea particulei spre sursa de lumină. ^[2]

Dacă particula suspendată se rotește, va suferi și efectul Yarkovsky .

Descoperirea fotoforezei este de obicei atribuită lui Felix Ehrenhaft în anii 1920 , deși observații anterioare au fost făcute de alții, inclusiv de Augustin-Jean Fresnel .

Aplicații ale fotoforezei

Aplicațiile fotoforezei se extind la diferitele ramuri ale științei , inclusiv fizică , chimie și biologie . Fotoforeza se aplică în captarea și levitația particulelor, ^[3] în fracționarea fluxului de particule, ^[4] în determinarea conductivității termice și a temperaturii granulelor microscopice ^[5] și, de asemenea, în transportul particulelor de funingine în atmosfera. ^[6] Utilizarea luminii în separarea particulelor de aerosoli pe baza proprietăților lor optice face posibilă separarea particulelor organice și anorganice de aceeași dimensiune aerodinamică.

Recent, fotoforeza a fost propusă ca mecanism de selecție chirală pentru nanotuburile de carbon cu pereți unici . ^[7] Metoda propusă ar folosi diferențe în spectrele de absorbție a nanotuburilor de carbon semiconductoare rezultate din tranzițiile excitate optic în structura electronică. Dacă ar fi dezvoltată, tehnica ar fi ordine de mărime mai rapide decât tehnicile de ultracentrifugare utilizate în prezent.

Teoria fotoforezei

Fotoforeza directă este cauzată de transferul momentului fotonic către o particulă prin refracție și reflexie. ^[8] Mișcarea înainte a particulelor are loc atunci când particula este transparentă și are un indice de refracție mai mare decât mediul înconjurător. ^[9] Fotoforeza indirectă apare ca urmare a creșterii energiei cinetice a moleculelor atunci când particulele absorb lumina incidentă numai pe partea iradiată, creând astfel un gradient de temperatură în interiorul particulei. În această situație, stratul de gaz înconjurător atinge echilibrul de temperatură cu suprafața particulei. Moleculele cu energie cinetică mai mare în regiunea de temperatură a gazului mai mare afectează particula cu o cantitate mai mare de moment decât moleculele din regiunea rece; acest lucru determină o migrație a particulelor într-o direcție opusă gradientului de temperatură al suprafeței. Componenta forței fotoforetice responsabile de acest fenomen se numește forță radiometrică. ^[10] Acesta este rezultatul unei distribuții inegale a energiei radiante (funcția sursei în interiorul unei particule). Puterea fotoforetică indirectă depinde de proprietățile fizice ale particulei și ale mediului înconjurător.

Pentru presiuni $p$ ${\ displaystyle p}$ ${\ displaystyle p}$ unde traiectoria medie liberă a gazului este mult mai mare decât dimensiunea caracteristică $r_{0}$ ${\ displaystyle r_ {0}}$ ${\ displaystyle r_ {0}}$ a particulelor suspendate (fotoforeză directă), forța longitudinală este ^[11]

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

unde este temperatura medie a gazului dispersat (coeficient de adaptare termică $\alpha$ ${\ displaystyle \ alpha}$ ${\ displaystyle \ alpha}$ , coeficientul de acomodare al momentului $\alpha _{\text{m}}$ ${\ displaystyle \ alpha _ {\ text {m}}}$ ${\ displaystyle \ alpha _ {\ text {m}}}$ )

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

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

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

și temperatura corpului negru a particulei (flux luminos net $I=\varepsilon \,I_{0}$ ${\ displaystyle I = \ varepsilon \, I_ {0}}$ ${\ displaystyle I = \ varepsilon \, I_ {0}}$ , Constanta lui Stefan Boltzmann $\sigma _{\text{SB}}$ ${\ displaystyle \ sigma _ {\ text {SB}}}$ ${\ displaystyle \ sigma _ {\ text {SB}}}$ , temperatura câmpului de radiații $T_{\text{opt}}$ ${\ displaystyle T _ {\ text {opt}}}$ ${\ displaystyle T _ {\ text {opt}}}$ )

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

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

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

$k$ ${\ displaystyle k}$ ${\ displaystyle k}$ este conductivitatea termică a particulei. Factorul de asimetrie pentru sfere $J_{1}$ ${\ displaystyle J_ {1}}$ ${\ displaystyle J_ {1}}$ obișnuit $1/2$ ${\ displaystyle 1/2}$ ${\ displaystyle 1/2}$ (fotoforeză longitudinală pozitivă). Pentru particulele non-sferice, forța medie exercitată asupra particulei este dată de aceeași ecuație ca raza $r_{0}$ ${\ displaystyle r_ {0}}$ ${\ displaystyle r_ {0}}$ este acum raza sferei respective echivalentă cu volumul. ^[12]

Notă

^ Shahram Tehranian, Frank Giovane, Jürgen Blum, Yu-Lin Xu și Bo Å.S. Gustafson, Fotoforeza particulelor de dimensiuni micrometrice în regimul liber-molecular , în International Journal of Heat and Mass Transfer , vol. 44, nr. 9, Elsevier BV, 2001, pp. 1649–1657, DOI : 10.1016 / s0017-9310 (00) 00230-1 , ISSN 0017-9310 ( WC ACNP ) .
^ Hitoshi WATARAI, Hideaki MONJUSHIRO, Satoshi TSUKAHARA, Masayori SUWA și Yoshinori IIGUNI, Analiza migrației micro-particulelor în lichide folosind câmpuri externe proiectate microscopic , în Științe analitice , vol. 20, nr. 3, Societatea japoneză pentru chimie analitică, 2004, pp. 423–434, DOI : 10.2116 / analsci.20.423 , ISSN 0910-6340 ( WC ACNP ) .
^ M. Rosenberg, DA Mendis și DP Sheehan, cristale de praf încărcate pozitiv induse de încălzirea radiativă , în IEEE Transactions on Plasma Science , vol. 27, n. 1, Institutul de ingineri electrici și electronici (IEEE), 1999, pp. 239–242, DOI : 10.1109 / 27.763125 , ISSN 0093-3813 ( WC ACNP ) .
^ VL Kononenko, JK Shimkus, JC Giddings și MN Myers, Studii de fezabilitate cu privire la efectele fotoforetice în fracționarea câmpului de flux a particulelor , în Journal of Liquid Chromatography & Related Technologies , vol. 20, nr. 16-17, Informa UK Limited, 1997, pp. 2907–2929, DOI : 10.1080 / 10826079708005600 , ISSN 1082-6076 ( WC ACNP ) .
^ Xuefeng Zhang și Ezra Bar-Ziv, O nouă abordare pentru determinarea conductivității termice a particulelor de combustibil de dimensiuni micronice , în Combustion Science and Technology , vol. 130, nr. 1-6, Informa UK Limited, 1997, pp. 79–95, DOI : 10.1080 / 00102209708935738 , ISSN 0010-2202 ( WC ACNP ) .
^ Hans Rohatschek, Levitația aerosolilor stratosferici și mezosferici prin gravito-fotoforeză , în Journal of Aerosol Science , vol. 27, n. 3, Elsevier BV, 1996, pp. 467–475, DOI : 10.1016 / 0021-8502 (95) 00556-0 , ISSN 0021-8502 ( WC ACNP ) .
^ David Smith, Christopher Woods, Annela Seddon și Heinrich Hoerber, Separarea fotoforetică a nanotuburilor de carbon cu pereți unici: o nouă abordare a sortării selective chirale , în Phys. Chem. Chem. Fizic. , vol. 16, n. 11, Societatea Regală de Chimie (RSC), 2014, pp. 5221-5228, DOI : 10.1039 / c3cp54812k , ISSN 1463-9076 ( WC ACNP ) .
^ A. Ashkin, Istoria captării optice și a manipulării particulelor neutre mici, a atomilor și a moleculelor , în IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics , vol. 6, nr. 6, 2000-11, pp. 841–856, DOI : 10.1109 / 2944.902132 . Adus pe 7 iulie 2019 .
^ C. Helmbrecht, C. Kykal și C. Haisch., "Separarea particulelor fotoforetice" în Institutul de Hidrochimie, Raport anual, 2006 ( PDF ), la hydrochemistry.tum.de , p. 11. Accesat la 25 mai 2019 (arhivat din original la 25 mai 2019) .
^ Yu.I Yalamov, VB Kutukov și ER Shchukin, Teoria mișcării fotoforetice a particulelor volatile de aerosoli de dimensiuni mari , în Journal of Colloid and Interface Science , vol. 57, nr. 3, Elsevier BV, 1976, pp. 564-571, DOI : 10.1016 / 0021-9797 (76) 90234-4 , ISSN 0021-9797 ( WC ACNP ) .
^ C. Loesche și T. Husmann, Fotoforeza asupra particulelor mai calde / mai reci decât gazul ambiental pentru întreaga gamă de presiuni , în Journal of Aerosol Science , vol. 102, Elsevier BV, 2016, pp. 55–71, DOI : 10.1016 / j.jaerosci.2016.08.013 .
^ Christoph Loesche, Gerhard Wurm și Jens Teiser, Forța fotoforetică pe condrule. 1. Modelare , în Jurnalul astrofizic , vol. 778, nr. 2, Editura IOP, 8 noiembrie 2013, p. 101, DOI : 10.1088 / 0004-637x / 778/2/101 .

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica

[1] Shahram Tehranian, Frank Giovane, Jürgen Blum, Yu-Lin Xu și Bo Å.S. Gustafson, Fotoforeza particulelor de dimensiuni micrometrice în regimul liber-molecular , în International Journal of Heat and Mass Transfer , vol. 44, nr. 9, Elsevier BV, 2001, pp. 1649–1657, DOI : 10.1016 / s0017-9310 (00) 00230-1 , ISSN 0017-9310 ( WC ACNP ) .

[2] Hitoshi WATARAI, Hideaki MONJUSHIRO, Satoshi TSUKAHARA, Masayori SUWA și Yoshinori IIGUNI, Analiza migrației micro-particulelor în lichide folosind câmpuri externe proiectate microscopic , în Științe analitice , vol. 20, nr. 3, Societatea japoneză pentru chimie analitică, 2004, pp. 423–434, DOI : 10.2116 / analsci.20.423 , ISSN 0910-6340 ( WC ACNP ) .

[3] M. Rosenberg, DA Mendis și DP Sheehan, cristale de praf încărcate pozitiv induse de încălzirea radiativă , în IEEE Transactions on Plasma Science , vol. 27, n. 1, Institutul de ingineri electrici și electronici (IEEE), 1999, pp. 239–242, DOI : 10.1109 / 27.763125 , ISSN 0093-3813 ( WC ACNP ) .

[4] VL Kononenko, JK Shimkus, JC Giddings și MN Myers, Studii de fezabilitate cu privire la efectele fotoforetice în fracționarea câmpului de flux a particulelor , în Journal of Liquid Chromatography & Related Technologies , vol. 20, nr. 16-17, Informa UK Limited, 1997, pp. 2907–2929, DOI : 10.1080 / 10826079708005600 , ISSN 1082-6076 ( WC ACNP ) .

[5] Xuefeng Zhang și Ezra Bar-Ziv, O nouă abordare pentru determinarea conductivității termice a particulelor de combustibil de dimensiuni micronice , în Combustion Science and Technology , vol. 130, nr. 1-6, Informa UK Limited, 1997, pp. 79–95, DOI : 10.1080 / 00102209708935738 , ISSN 0010-2202 ( WC ACNP ) .

[6] Hans Rohatschek, Levitația aerosolilor stratosferici și mezosferici prin gravito-fotoforeză , în Journal of Aerosol Science , vol. 27, n. 3, Elsevier BV, 1996, pp. 467–475, DOI : 10.1016 / 0021-8502 (95) 00556-0 , ISSN 0021-8502 ( WC ACNP ) .

[7] David Smith, Christopher Woods, Annela Seddon și Heinrich Hoerber, Separarea fotoforetică a nanotuburilor de carbon cu pereți unici: o nouă abordare a sortării selective chirale , în Phys. Chem. Chem. Fizic. , vol. 16, n. 11, Societatea Regală de Chimie (RSC), 2014, pp. 5221-5228, DOI : 10.1039 / c3cp54812k , ISSN 1463-9076 ( WC ACNP ) .

[8] A. Ashkin, Istoria captării optice și a manipulării particulelor neutre mici, a atomilor și a moleculelor , în IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics , vol. 6, nr. 6, 2000-11, pp. 841–856, DOI : 10.1109 / 2944.902132 . Adus pe 7 iulie 2019 .

[2006report2-9] C. Helmbrecht, C. Kykal și C. Haisch., "Separarea particulelor fotoforetice" în Institutul de Hidrochimie, Raport anual, 2006 ( PDF ), la hydrochemistry.tum.de , p. 11. Accesat la 25 mai 2019 (arhivat din original la 25 mai 2019) .

[10] Yu.I Yalamov, VB Kutukov și ER Shchukin, Teoria mișcării fotoforetice a particulelor volatile de aerosoli de dimensiuni mari , în Journal of Colloid and Interface Science , vol. 57, nr. 3, Elsevier BV, 1976, pp. 564-571, DOI : 10.1016 / 0021-9797 (76) 90234-4 , ISSN 0021-9797 ( WC ACNP ) .

[11] C. Loesche și T. Husmann, Fotoforeza asupra particulelor mai calde / mai reci decât gazul ambiental pentru întreaga gamă de presiuni , în Journal of Aerosol Science , vol. 102, Elsevier BV, 2016, pp. 55–71, DOI : 10.1016 / j.jaerosci.2016.08.013 .

[12] Christoph Loesche, Gerhard Wurm și Jens Teiser, Forța fotoforetică pe condrule. 1. Modelare , în Jurnalul astrofizic , vol. 778, nr. 2, Editura IOP, 8 noiembrie 2013, p. 101, DOI : 10.1088 / 0004-637x / 778/2/101 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]