Termoforesis

Difusión molecular bajo el efecto de un gradiente térmico

Deposición de polvo por termoforesis.

La termoforesis (también termomigración , termodifusión , efecto Soret o efecto Ludwig-Soret ) es un fenómeno que se observa en mezclas de partículas móviles en las que los diferentes tipos de partículas muestran respuestas diferentes a la fuerza de un gradiente de temperatura . Este fenómeno tiende a mover las moléculas ligeras a regiones calientes y las moléculas pesadas a regiones frías. El término termoforesis se aplica con mayor frecuencia a mezclas de aerosoles cuyo recorrido libre medio es comparable a su escala de longitud característica , ^[1] pero también puede referirse comúnmente al fenómeno en todas las fases de la materia . El término efecto Soret normalmente se aplica a mezclas líquidas, que se comportan de acuerdo con mecanismos diferentes y menos comprendidos que las mezclas gaseosas . La termoforesis puede no aplicarse a la termomigración en sólidos, especialmente aleaciones multifásicas. ^{[ cita requerida ]} ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle L}$

Fuerza termoforética

El fenómeno se observa a escala de un milímetro o menos. Un ejemplo que se puede observar a simple vista con buena iluminación es cuando la varilla caliente de un calentador eléctrico está rodeada de humo de tabaco: el humo se aleja de la proximidad inmediata de la varilla caliente. A medida que las pequeñas partículas de aire más cercanas a la varilla caliente se calientan, crean un flujo rápido que se aleja de la varilla, en dirección descendente del gradiente de temperatura. Si bien la energía cinética de las partículas es similar a la misma temperatura, las partículas más ligeras adquieren mayor velocidad en comparación con las pesadas. Cuando chocan con las partículas grandes y de movimiento más lento del humo del tabaco, las alejan de la varilla. La fuerza que ha empujado las partículas de humo lejos de la varilla es un ejemplo de una fuerza termoforética, ya que el camino libre medio del aire en condiciones ambientales es de 68 nm ^[2] y las escalas de longitud características están entre 100 y 1000 nm. ^[3]

La termodifusión se considera "positiva" cuando las partículas se mueven de una región caliente a una fría y "negativa" cuando ocurre lo contrario. Normalmente, las especies más pesadas/grandes de una mezcla muestran un comportamiento termoforético positivo, mientras que las especies más ligeras/pequeñas muestran un comportamiento negativo. Además de los tamaños de los distintos tipos de partículas y la inclinación del gradiente de temperatura, la conductividad térmica y la absorción de calor de las partículas desempeñan un papel importante. Recientemente, Braun y sus colaboradores han sugerido que la carga y la entropía de la capa de hidratación de las moléculas desempeñan un papel importante en la termoforesis de biomoléculas en soluciones acuosas. ^{[4] [5]}

La descripción cuantitativa viene dada por:

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

${\displaystyle \chi }$concentración de partículas; coeficiente de difusión; y el coeficiente de termodifusión. El cociente de ambos coeficientes ${\displaystyle D}$ ${\displaystyle D_{T}}$

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

se llama coeficiente de Soret.

El factor de termoforesis se ha calculado a partir de potenciales de interacción molecular derivados de modelos moleculares conocidos. ^[6]

Aplicaciones

La fuerza termoforética tiene numerosas aplicaciones prácticas. La base de las aplicaciones es que, como los distintos tipos de partículas se mueven de forma diferente bajo la fuerza del gradiente de temperatura, es posible separarlos mediante esa fuerza después de haberlos mezclado o evitar que se mezclen si ya están separados.

Los iones de impureza pueden moverse desde el lado frío de una oblea semiconductora hacia el lado caliente, ya que la temperatura más alta hace que la estructura de transición requerida para los saltos atómicos sea más alcanzable. El flujo difusivo puede ocurrir en cualquier dirección (hacia arriba o hacia abajo del gradiente de temperatura), dependiendo de los materiales involucrados. La fuerza termoforética se ha utilizado en precipitadores comerciales para aplicaciones similares a los precipitadores electrostáticos . Se explota en la fabricación de fibra óptica en procesos de deposición al vacío . Puede ser importante como mecanismo de transporte en el ensuciamiento . También se ha demostrado que la termoforesis tiene potencial para facilitar el descubrimiento de fármacos al permitir la detección de la unión de aptámeros mediante la comparación del movimiento unido versus no unido de la molécula objetivo. ^[7] Este enfoque se ha denominado termoforesis a microescala . ^{[8] [9]} Además, se ha demostrado que la termoforesis es una técnica versátil para manipular macromoléculas biológicas individuales, como ADN de longitud genómica y el virus VIH ^{[10] [11]} en micro y nanocanales por medio de calentamiento local inducido por luz. ^[12] La termoforesis es uno de los métodos utilizados para separar diferentes partículas de polímero en el fraccionamiento de flujo de campo . ^[13]

Historia

La termoforesis en mezclas de gases fue observada e informada por primera vez por John Tyndall en 1870 y comprendida mejor por John Strutt (Barón Rayleigh) en 1882. ^[14] La termoforesis en mezclas de líquidos fue observada e informada por primera vez por Carl Ludwig en 1856 y comprendida mejor por Charles Soret en 1879.

James Clerk Maxwell escribió en 1873 sobre mezclas de diferentes tipos de moléculas (y esto podría incluir pequeñas partículas más grandes que las moléculas):

"Este proceso de difusión... se produce en gases y líquidos e incluso en algunos sólidos... La teoría dinámica también nos dice qué ocurrirá si se permite que moléculas de masas diferentes se muevan juntas. Las de mayor masa se moverán más lentamente que las de menor masa, de modo que, en promedio, todas las moléculas, grandes o pequeñas, tendrán la misma energía de movimiento. La prueba de este teorema dinámico, en el que reclamo la prioridad, ha sido recientemente desarrollada y mejorada en gran medida por el Dr. Ludwig Boltzmann." ^[15]

Ha sido analizado teóricamente por Sydney Chapman .

La termoforesis en interfaces de sólidos fue descubierta numéricamente por Schoen et al. en 2006 ^[16] y fue confirmada experimentalmente por Barreiro et al. ^[17].

La termoforesis negativa en fluidos fue observada por primera vez en 1967 por Dwyer ^[18] en una solución teórica, y el nombre fue acuñado por Sone. ^[19] La termoforesis negativa en interfaces de sólidos fue observada por primera vez por Leng et al. ^[20] en 2016.

Véase también

• Deposición (física de aerosoles)
• Efecto Dufour
• Difusión de Maxwell-Stefan
• Termoforesis a microescala

Referencias

1. Talbot L, Cheng RK, Schefer RW, Willis DR (1980). "Termoforesis de partículas en una capa límite calentada" (PDF) . J. Fluid Mech . 101 (4): 737–758. Bibcode :1980JFM...101..737T. doi :10.1017/S0022112080001905.
2. Jennings, S (1988). "El camino libre medio en el aire". Journal of Aerosol Science . 19 (2): 159–166. Código Bibliográfico :1988JAerS..19..159J. doi :10.1016/0021-8502(88)90219-4.
3. Keith CH, Derrick JC (abril de 1960). "Medición de la distribución del tamaño de las partículas y la concentración del humo del cigarrillo mediante el "conifuge"". Revista de ciencia coloidal . 15 (4): 340–356. doi :10.1016/0095-8522(60)90037-4.
4. Duhr S, Braun D (diciembre de 2006). "Por qué las moléculas se mueven a lo largo de un gradiente de temperatura". Proc. Natl. Sci. USA . 103 (52): 19678–19682. Bibcode :2006PNAS..10319678D. doi : 10.1073/pnas.0603873103 . PMC 1750914 . PMID  17164337. 
5. Reineck P, Wienken CJ, Braun D (enero de 2010). "Termoforesis de ADN monocatenario". Electroforesis . 31 (2): 279–286. doi :10.1002/elps.200900505. PMID  20084627. S2CID  36614196.
6. Revista de Química Física , 50, 4886, (1960)
7. Baaske P, Wienken CJ, Reineck P, Duhr S, Braun D (febrero de 2010). "Termoforesis óptica para cuantificar la dependencia del tampón de la unión del aptámero". Angewandte Chemie International Edition . 49 (12): 2238–2241. doi :10.1002/anie.200903998. PMID  20186894. S2CID  42489892.
   • "Un camino caliente hacia nuevos fármacos". Phys.org . 24 de febrero de 2010.
8. Wienken CJ, et al. (2010). "Ensayos de unión a proteínas en líquidos biológicos mediante termoforesis a microescala". Nature Communications . 1 (7): 100. Bibcode :2010NatCo...1..100W. doi : 10.1038/ncomms1093 . PMID  20981028.
9. Una ilustración de un dispositivo basado en termoforesis a microescala en NanoTemper.de
10. Zhao, Chao; Oztekin, Alparslan; Cheng, Xuanhong (24 de noviembre de 2013). "Medición de los coeficientes de difusión térmica de partículas artificiales y biológicas en un chip microfluídico". Boletín de la Sociedad Estadounidense de Física . 58 . Código Bibliográfico :2013APS..DFD.D6002Z . Consultado el 7 de abril de 2015 .
11. Zhao, Chao; Fu, Jinxin; Oztekin, Alparslan; Cheng, Xuanhong (1 de octubre de 2014). "Medición del coeficiente de Soret de nanopartículas en una suspensión diluida". Journal of Nanoparticle Research . 16 (10): 2625. Bibcode :2014JNR....16.2625Z. doi :10.1007/s11051-014-2625-6. PMC 4160128 . PMID  25221433. 
12. Thamdrup LH, Larsen NB, Kristensen A (febrero de 2010). "Calefacción local inducida por luz para la manipulación termoforética del ADN en micro y nanocanales de polímeros". Nano Letters . 10 (3): 826–832. Bibcode :2010NanoL..10..826T. doi :10.1021/nl903190q. PMID  20166745.
13. Una ilustración de una máquina de fraccionamiento de flujo de campo térmico basada en termoforesis utilizada para separar polímeros mixtos en Postnova.com Archivado el 22 de diciembre de 2018 en Wayback Machine
14. Una breve historia de los estudios de termoforesis se encuentra en Encyclopedia of Surface And Colloid Science, Volumen 2, publicado por Taylor & Francis, año 2006. El artículo original de John Tyndall del año 1870 está en línea en Archive.org.
15. "Moléculas" de James Clerk Maxwell, publicado en septiembre de 1873 en la revista Nature . Reproducido en línea en Victorianweb.org.
16. Schoen, Philipp AE; Walther, Jens H.; Arcidiacono, Salvatore; Poulikakos, Dimos; Koumoutsakos, Petros (1 de septiembre de 2006). "Tráfico de nanopartículas en pistas helicoidales: transporte de masa termoforético a través de nanotubos de carbono". Nano Letters . 6 (9): 1910–1917. Bibcode :2006NanoL...6.1910S. doi :10.1021/nl060982r. ISSN  1530-6984. PMID  16968000. S2CID  29154934.
17. Barreiro, Amelia; Rurali, Riccardo; Hernández, Eduardo R.; Moser, Joel; Pichler, Thomas; Forró, László; Bachtold, Adrian (9 de mayo de 2008). "Movimiento subnanómetro de cargas impulsado por gradientes térmicos a lo largo de nanotubos de carbono". Science . 320 (5877): 775–778. Bibcode :2008Sci...320..775B. doi : 10.1126/science.1155559 . ISSN  1095-9203. PMID  18403675. S2CID  6026906.
18. Dwyer, Harry A. (1 de mayo de 1967). "Teoría de trece momentos de la fuerza térmica sobre una partícula esférica". Física de fluidos . 10 (5): 976–984. Bibcode :1967PhFl...10..976D. doi :10.1063/1.1762250. ISSN  0031-9171.
19. Sone, Yoshio (15 de julio de 1972). "Un flujo inducido por estrés térmico en gas enrarecido". Revista de la Sociedad Física de Japón . 33 (1): 232–236. Código Bibliográfico :1972JPSJ...33..232S. doi :10.1143/JPSJ.33.232. ISSN  0031-9015.
20. Leng, Jiantao; Guo, Zhengrong; Zhang, Hongwei; Chang, Tienchong; Guo, Xingming; Gao, Huajian (12 de octubre de 2016). "Termoforesis negativa en nanodispositivos de nanotubos de carbono concéntricos". Nano Letters . 16 (10): 6396–6402. Bibcode :2016NanoL..16.6396L. doi :10.1021/acs.nanolett.6b02815. ISSN  1530-6984. PMID  27626825.

Enlaces externos

• En aerosols.wustl.edu encontrará una breve introducción a la termoforesis, que incluye gráficos animados útiles.
• Termoforesis de ADN en solución acuosa en YouTube
• Mezclas ternarias
• Clorhidrato
• Bromuros alcalinos