bélyegkép|A termoforézis hatása egy szoba falain. A nagyobb porszemcsék a fal leghidegebb részein, a sarkokban rakódnak le, ott a legvastagabb a por. 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 átlagos szabad úthossz összemérhető az , jellemző hosszúsággal (ez gömb alakú részecskékre a sugaruk). A Soret-effektus kifejezés általában folyékony elegyek esetén használják. Ezek, a gáznemű elegyekétől eltérő, kevésbé jól ismert mechanizmusok szerint viselkednek.

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):

A termodiffúzió jelenségét, elméleti szempontból Sydney Chapman elemezte.

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

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

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 () nagyjából azonos, ugyanazon a hőmérsékleten. A könnyebb (kisebb ) részecskék nagyobb sebességre tesznek szert, mint a nehezebbek. Amikor ezek a különböző tömegű és sebességű levegőrészecskék ütköznek a dohányfüst nagy, lassabban mozgó részecskéivel átadják nekik a 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 átlagos szabad úthossz nagyjából 68 nm, az karakterisztikus hossz pedig a 100 nm–1000 nm tartományban van.

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.

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:

Ahol a részecske sugara, a gáz dinamikai viszkozitása, a gáz sűrűsége a gáz kinematikus viszkozitása, a gáz átlagos hőmérséklete a részecske környezetében, a hőmérsékleti gradiens (hőmérséklet különbség a hidegebb és a melegebb rész között), és a gáz, illetve a részecske hővezető képessége. Az így számított termoforetikus erő értékei jó egyezést mutatnak a kísérletekben mértekkel, ha a rendszer igaz, hogy (ez a hányados a Kundsen-szám) Itt az átlagos szabad úthossz a gázban és gömb alakú részecskékre .

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

A részecske koncentráció időbeli változásának gyorsaságát a következőképpen adjuk meg:

részecske koncentráció

diffúziós együttható

termodiffúziós együttható.

Ezek hányadosa a Soret-együttható:

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 hőmérséklet különbséggel) ilyenkor megfigyelhető, hogy a részecskék a melegebb részből a hidegebbe mennek át. Koncentrációjuk arányát a következő összefüggés írja le:

A hőmérséklet különbség, a melegebb, illetve hidegebb helyen mért részecske koncentrációk ismeretében meghatározható a részecskék Soret-együtthatója. 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. Ezt a megközelítést mikroskálájú termoforézisnek nevezik. Sokoldalú technikának bizonyult a termoforézis egyes biológiai makromolekulák, például a teljes hosszúságú DNS és HIV- vírus manipulálására mikro- és nanocsatornákban, fénnyel végzett helyi melegítés segítségével. A termoforézis az egyik fizikai hatás, amelyet a különböző polimer részecskék szétválasztására használnak az áramlásteres szétválasztás során.An illustration of a Thermal Field Flow Fractionation Machine based on thermophoresis used to separate mixed polymers at Postnova.com 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 feszültség, (a soros kapcsolás miatt változatlan áramerősség mellett) így az ott leadott elektromos teljesítmény is (). 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.

Jegyzetek

Fordítás

Kategória:Termodinamika