Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Кіріспе
Фотофорез - газ (аэрозоль) немесе сұйықтықтар (гидроколоидтар) ішіндегі ұсақ бөлшектердің жеткілікті жарық сәулесінен жарыққа түскен кезде көшіп-қонуға бастауы. Бұл құбылыстың болуы сұйық ортадағы жарық беретін бөлшектің температурасының біркелкі емес таралуына байланысты. Фотофорезден бөлек, әр түрлі бөлшектердің сұйық қоспасында кейбір бөлшектердің көшіп кетуі олардың жылулық сәулеленуді сіңірудегі және термофорез деп аталатын басқа да жылулық әсерлердің айырмашылығынан болуы мүмкін. Лазерлік фотофорезде бөлшектердің сыну көрсеткіші қоршаған ортадан өзгеше болған кезде көшіп кетеді. Бөлшектердің көшіп кетуі, әдетте, лазер аз немесе назардан тыс болған кезде мүмкін болады. Айналасындағы молекулаға қарағанда сындыру индексі жоғары бөлшектер сәулелік фотондардың сіңірілуіне және шашырауына байланысты импульс беру арқылы жарық көзінен алыстайды. Бұл сәулелену қысымы күші деп аталады. Бұл күш жарық интенсивтілігі мен бөлшектердің мөлшеріне байланысты, бірақ қоршаған ортаға қатысы жоқ. Крукс радиометріндей, жарық бір жағын қыздырып, газ молекулалары сол бетке жылдамдықпен шағылып, бөлшекті екінші жағына итеріп жібереді. Белгілі бір жағдайларда, диаметрі жарық толқын ұзындығына тең бөлшектерде, кері жанама фотофорез құбылысы пайда болады, себебі бөлшектердің артқы және алдыңғы жақтары арасындағы лазерлік сәулеленуде тең емес жылу өндірісі, бұл бөлшектің айналасындағы ортада температураның градиентін тудырады, сондықтан бөлшектің жарық көзінен алыс жағындағы молекулалар көбірек қызып, бөлшектің жарық көзіне қарай қозғалуына әкеледі. Егер де қозғалыссыз қалған бөлшектер айналып тұрса, онда олар да Ярковский эффектісінен өтеді. Фотофорезаны ашу әдетте 1920-шы жылдары Феликс Эренхафтке тиесілі, бірақ бұдан бұрын байқауларды басқалар, соның ішінде Августин Жан Френель жасаған.
Photophoresis denotes the phenomenon that small particles suspended in gas (aerosols) or liquids (hydrocolloids) start to migrate when illuminated by a sufficiently intense beam of light. The existence of this phenomenon is owed to a non uniform distribution of temperature of an illuminated particle in a fluid medium. Separately from photophoresis, in a fluid mixture of different kinds of particles, the migration of some kinds of particles may be due to differences in their absorptions of thermal radiation and other thermal effects collectively known as thermophoresis. In laser photophoresis, particles migrate once they have a refractive index different from their surrounding medium. The migration of particles is usually possible when the laser is slightly or not focused. A particle with a higher refractive index compared to its surrounding molecule moves away from the light source due to momentum transfer from absorbed and scattered light photons. This is referred to as a radiation pressure force. This force depends on light intensity and particle size but has nothing to do with the surrounding medium. Just like in Crookes radiometer, light can heat up one side and gas molecules bounce from that surface with greater velocity, hence push the particle to the other side. Under certain conditions, with particles of diameter comparable to the wavelength of light, the phenomenon of a negative indirect photophoresis occurs, due to the unequal heat generation on the laser irradiation between the back and front sides of particles, this produces a temperature gradient in the medium around the particle such that molecules at the far side of the particle from the light source may get to heat up more, causing the particle to move towards the light source. If the suspended particle is rotating, it will also experience the Yarkovsky effect. Discovery of photophoresis is usually attributed to Felix Ehrenhaft in the 1920s, though earlier observations were made by others including Augustin Jean Fresnel.
Фотофорестің қолданылуы
Фотофорестің қолданылуы ғылымның әртүрлі бөлімдеріне, яғни физикаға, химияға, биологияға дейін кеңейеді. Фотофорез бөлшектерді ұстауда және левитацияда, бөлшектердің өрістік ағындылық фракциялануында, микроскопиялық түйіршіктердің жылу өткізгіштігі мен температурасын анықтауда, сондай-ақ атмосферадағы саң бөлшектерін тасымалдауда қолданылады. Аэрозоль бөлшектерін олардың оптикалық қасиеттеріне негізделген бөлінуде жарықты пайдалану, бірдей аэродинамикалық өлшемдегі органикалық және органикалық емес бөлшектерді ажыратуды мүмкін етеді. Жақында фотофорез бір қабырғалы көміртек нанотұбыршаларын хиралды сұрыптау механизмі ретінде ұсынылды. Ұсынылған әдіс электронды құрылымдағы оптикалық қозғайтын ауысулардан пайда болатын жартылай өткізгіш көміртекті нанотүтіктердің сіңіру спектрлеріндегі айырмашылықтарды пайдаланады. Егер бұл әдіс дамыса, ол қазіргі таңда қалыптасқан ультрацентрифугация әдістерінен бірнеше есе жылдам болады. 2021 жылы Azadi, Popov және т.б. "Нанноқұрылысты бетпен макроскопиялық полимерлік пленкаларды ұзақ уақытқа арналған ғарышқа ұшуға жақын кандидат ретінде жарықпен қозғалатын" деп хабарлайды олар күн сәулесінің жарық қарқындылығын пайдалана отырып, бір жағында көміртек нанотүтіктерімен қапталған коммерциялық 0,5 микрондық қалыңдықтағы милар пленкадан жасалған сантиметрлік дисктерді көтеріп жіберді. Шафер, Ким, Влассак және Кит эксперименттері фотофоретикалық күштер атмосфералық ғылымның, әсіресе биіктіктегі ауа райының мониторингі мақсатында Жердің стратосферасындағы 10 сантиметрлік ұсақ құрылымдарды шексіз уақытқа дейін көтере алатынын көрсетеді. Олар 2022 жылы қол жетімді әдістермен жасалған 10 см диаметрлі құрылғының алдын ала дизайнын сипаттайды, онда екі мембрананың 2 мкм арақашықтықтағы желбірейтін құрылымы 25 км биіктікте тасымалдауға, орналастыруға және ұшуға төзімділігі тексерілген қатты тірек құрылымында біріктіріледі. Пайдалы жүктемесі 300 мг және 10 Мбит/с жылдамдықпен екі бағыттағы радиобайланысты және кейбір навигациялық басқаруды қолдай алады. Құрылысты үлкейту арқылы ол бірнеше граммдық жүк тасымалдауы мүмкін. Олар телекоммуникация үшін пайдалануды және Марста орналастыруды ұсынады.
The applications of photophoresis expand into the various divisions of science, thus physics, chemistry as well as in biology. Photophoresis is applied in particle trapping and levitation, in the field flow fractionation of particles, in the determination of thermal conductivity and temperature of microscopic grains and also in the transport of soot particles in the atmosphere. The use of light in the separation of particles aerosols based on their optical properties, makes possible the separation of organic and inorganic particles of the same aerodynamic size. Recently, photophoresis has been suggested as a chiral sorting mechanism for single walled carbon nanotubes. The proposed method would utilise differences in the absorption spectra of semiconducting carbon nanotubes arising from optically excited transitions in electronic structure. If developed the technique would be orders of magnitudes faster than currently established ultracentrifugation techniques. In 2021 Azadi, Popov et al. report "light driven levitation of macroscopic polymer films with nanostructured surface as candidates for long duration near space flight" Using a light intensity comparable to sunlight, they levitated centimeter scale disks made of commercial 0.5 micron thick mylar film coated with carbon nanotubes on one side. Experiments by Schafer, Kim, Vlassak and Keith suggest that photophoretic forces could levitate thin 10 centimetre scale structures in Earth′s stratosphere indefinitely for the purpose of atmospheric science, especially monitoring high altitude weather. They describe in 2022 a preliminary design fabricated with available methods of a 10 cm diameter device combining a levitating structure of two membranes 2 μm apart in a stiff support structure tested to have sufficient strength to withstand transport, deployment, and flight at 25 km altitude. Payload capacity is 300 mg and could support bidirectional radio communication at over 10 Mb/s and some navigational control. By upscaling the structure it might carry payloads of a few grams. They suggest uses for telecommunications, and deployment on Mars.