Photophoresis

Введение

Фотофорез - это явление, при котором мелкие частицы, находящиеся в газообразных (аэрозольных) или жидких (гидроколоидных) состояниях, начинают мигрировать при достаточно интенсивном освещении. Существование этого явления обусловлено неравномерным распределением температуры освещенной частицы в жидкой среде. Вне фотофореза, в жидкой смеси различных типов частиц, миграция некоторых типов частиц может быть вызвана различиями в их поглощении теплового излучения и других тепловых эффектов, известных как термофорез. При лазерном фотофорезе частицы мигрируют, когда у них индекс преломления отличается от окружающей среды. Миграция частиц обычно возможна, когда лазер слегка или не сфокусирован. Частица с более высоким показателем преломления по сравнению с окружающей ее молекулой удаляется от источника света из-за передачи импульса от поглощенных и рассеянных световых фотонов. Это называется силой радиационного давления. Эта сила зависит от интенсивности света и размера частиц, но не имеет ничего общего с окружающей средой. Как и в радиометре Крукса, свет может нагревать одну сторону, и молекулы газа отскакивают от этой поверхности с большей скоростью, таким образом, толкая частицу на другую сторону. При определенных условиях, при частицах диаметром, сопоставимом с длиной волны света, возникает явление отрицательного косвенного фотофореза, из-за неравномерного генерации тепла при лазерном облучении между задней и передней сторонами частиц, это создает температурный градиент в среде вокруг частицы, так что молекулы на другой стороне частицы от источника света могут нагреваться больше, вызывая движение частицы к источнику света. Если частица в подвеске вращается, она также испытает эффект Ярковского. Открытие фотофореза обычно приписывается Феликсу Эренхафту в 1920-х годах, хотя более ранние наблюдения были сделаны другими, включая Августина Жана Френеля.

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.

Применение фотофореза

Приложения фотофореза распространяются на различные разделы науки, таким образом, физику, химию, а также в биологии. Фотофорез применяется при улавливании и левитации частиц, при фракционировании потока частиц в поле, при определении теплопроводности и температуры микроскопических зерен, а также при транспортировке частиц сажи в атмосфере. Использование света при разделении частиц аэрозолей на основе их оптических свойств позволяет разделить органические и неорганические частицы того же аэродинамического размера. Недавно фотофорез был предложен в качестве хирального сортировочного механизма для одностенных углеродных нанотрубок. Предлагаемый метод будет использовать различия в спектрах поглощения полупроводниковых углеродных нанотрубок, возникающие в результате оптически возбужденных переходов в электронной структуре. Если бы эта техника была разработана, она была бы на порядок быстрее, чем существующие в настоящее время методы ультрацентрифугирования. В 2021 году Азадди, Попов и др. "Левитация макроскопических полимерных пленок с наноструктурной поверхностью, как кандидатов на длительный срок вблизи космического полета" Используя интенсивность света, сопоставимую с солнечным светом, они левитировали диски в сантиметровом масштабе, сделанные из коммерческой милярной пленки толщиной 0,5 микрон, покрытой углеродными нанотрубками с одной стороны. Эксперименты Шафера, Кима, Влассака и Кита показывают, что фотофоретические силы могут левитировать тонкие 10-сантиметровые структуры в стратосфере Земли бесконечно для целей атмосферной науки, особенно для мониторинга погоды на больших высотах. В них описывается предварительный проект, изготовленный в 2022 году с использованием доступных методов устройства диаметром 10 см, сочетающего левитационную структуру из двух мембран, расположенных на расстоянии 2 мкм друг от друга, в жесткой поддерживающей структуре, которая, по результатам испытаний, обладает достаточной прочностью для транспортировки, развертывания и полета на высоте 25 км. Погрузочная способность составляет 300 мг и может поддерживать двунаправленную радиокоммуникацию на скорости более 10 Мбит/с и некоторое навигационное управление. Увеличив масштаб конструкции, он может нести полезную нагрузку в несколько граммов. Они предполагают использование для телекоммуникаций и развертывание на Марсе.

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.