Fotoforesi

Per fotoforesi si intende il fenomeno per il quale piccole particelle sospese in gas (aerosol) o liquidi (idrocolloidi) iniziano a muoversi quando vengono illuminate da un fascio di luce sufficientemente intenso. L'esistenza di questo fenomeno è dovuta ad una distribuzione non uniforme della temperatura di una particella illuminata in un fluido.[1] Indipendentemente dalla fotoforesi, in una miscela fluida di diversi tipi di particelle, la migrazione di alcuni tipi di particelle può essere dovuta a differenze nel loro assorbimento della radiazione termica e di altri effetti termici collettivamente noti come termoforesi. Nella fotoforesi laser, le particelle migrano non appena hanno un indice di rifrazione diverso dal mezzo circostante. La migrazione delle particelle è di solito possibile quando il laser è poco o per nulla focalizzato. Una particella con un indice di rifrazione più elevato rispetto alla molecola circostante si allontana dalla sorgente luminosa a causa del trasferimento di quantità di moto dai fotoni di luce assorbita e diffusa. Questa è chiamata forza della pressione di radiazione. Questa forza dipende dall'intensità della luce e dalle dimensioni delle particelle, ma non ha nulla a che fare con il mezzo circostante. Proprio come nel radiometro di Crookes, la luce può riscaldare da un lato e le molecole di gas rimbalzano da quella superficie con maggiore velocità, quindi spingere la particella verso l'altro lato. In determinate condizioni, con particelle di diametro paragonabile alla lunghezza d'onda della luce, si verifica il fenomeno di una fotoforesi indiretta negativa, a causa della diversa generazione di calore sull'irradiazione laser tra la parte posteriore e anteriore delle particelle, questo produce un gradiente di temperatura nel mezzo intorno alla particella tale che le molecole sul lato più lontano della particella dalla sorgente luminosa possono arrivare a riscaldarsi maggiormente, provocando il movimento della particella verso la sorgente luminosa.[2]

Se la particella sospesa sta ruotando, subirà anche l'effetto Yarkovsky.

La scoperta della fotoforesi è solitamente attribuita a Felix Ehrenhaft negli anni '20, anche se osservazioni precedenti sono state fatte da altri, tra cui Augustin-Jean Fresnel.

Applicazioni della fotoforesiModifica

Le applicazioni della fotoforesi si estendono nelle varie branche della scienza, quindi fisica, chimica e biologia. La fotoforesi viene applicata nella cattura e levitazione delle particelle,[3] nel frazionamento del flusso di particelle,[4] nella determinazione della conducibilità termica e della temperatura di grani microscopici[5] e anche nel trasporto di particelle di fuliggine nell'atmosfera.[6] L'uso della luce nella separazione di particelle aerosol in base alle loro proprietà ottiche, rende possibile la separazione di particelle organiche e inorganiche della stessa dimensione aerodinamica.

Recentemente, la fotoforesi è stata proposta come meccanismo di selezione chirale per nanotubi di carbonio a parete singola.[7] Il metodo proposto utilizzerebbe differenze negli spettri di assorbimento dei nanotubi di carbonio semiconduttori derivanti da transizioni otticamente eccitate nella struttura elettronica. Se sviluppata la tecnica sarebbe di ordini di grandezza più veloce rispetto alle tecniche di ultracentrifugazione attualmente in uso.

Teoria della fotoforesiModifica

La fotoforesi diretta è causata dal trasferimento del momento fotonico ad una particella per rifrazione e riflessione.[8] Il movimento delle particelle in avanti si verifica quando la particella è trasparente e ha un indice di rifrazione maggiore rispetto al mezzo circostante.[9] La fotoforesi indiretta si verifica come risultato di un aumento dell'energia cinetica delle molecole quando le particelle assorbono la luce incidente solo sul lato irradiato, creando così un gradiente di temperatura all'interno della particella. In questa situazione lo strato di gas circostante raggiunge l'equilibrio di temperatura con la superficie della particella. Molecole con maggiore energia cinetica nella regione a temperatura del gas più elevata incidono sulla particella con una maggiore quantità di momento rispetto alle molecole nella regione fredda; ciò causa una migrazione delle particelle in una direzione opposta al gradiente di temperatura superficiale. La componente della forza fotoforetica responsabile di questo fenomeno è chiamata forza radiometrica.[10] Questa è il risultato di una distribuzione non uniforme dell'energia radiante (funzione della sorgente all'interno di una particella). La forza fotoforetica indiretta dipende dalle proprietà fisiche della particella e del mezzo circostante.

Per pressioni  dove la traiettoria media libera del gas è molto più grande della dimensione caratteristica   della particella sospesa (fotoforesi diretta), la forza longitudinale è[11]

 

dove è la temperatura media del gas disperso (coefficiente di adattamento termico  , coefficiente di accomodamento del momento  )

 

e la temperatura del corpo nero della particella (flusso luminoso netto  , Costante di Stefan Boltzmann  , temperatura del campo di radiazione  )

 

  è la conducibilità termica della particella. Il fattore di asimmetria per le sfere  di solito   (fotoforesi longitudinale positiva). Per le particelle non sferiche, la forza media esercitata sulla particella è data dalla stessa equazione in cui il raggio  è ora il raggio della rispettiva sfera equivalente al volume.[12]

NoteModifica

  1. ^ Shahram Tehranian, Frank Giovane, Jürgen Blum, Yu-Lin Xu e Bo Å.S. Gustafson, Photophoresis of micrometer-sized particles in the free-molecular regime, in International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 44, n. 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 e Yoshinori IIGUNI, Migration Analysis of Micro-Particles in Liquids Using Microscopically Designed External Fields, in Analytical Sciences, vol. 20, n. 3, Japan Society for Analytical Chemistry, 2004, pp. 423–434, DOI:10.2116/analsci.20.423, ISSN 0910-6340 (WC · ACNP).
  3. ^ M. Rosenberg, D.A. Mendis e D.P. Sheehan, Positively charged dust crystals induced by radiative heating, in IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 27, n. 1, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 1999, pp. 239–242, DOI:10.1109/27.763125, ISSN 0093-3813 (WC · ACNP).
  4. ^ V. L. Kononenko, J. K. Shimkus, J. C. Giddings e M. N. Myers, Feasibility Studies on Photophoretic Effects in Field-Flow Fractionation of Particles, in Journal of Liquid Chromatography & Related Technologies, vol. 20, n. 16-17, Informa UK Limited, 1997, pp. 2907–2929, DOI:10.1080/10826079708005600, ISSN 1082-6076 (WC · ACNP).
  5. ^ Xuefeng Zhang e Ezra Bar-Ziv, A Novel Approach to Determine Thermal Conductivity of Micron-Sized Fuel Particles, in Combustion Science and Technology, vol. 130, n. 1-6, Informa UK Limited, 1997, pp. 79–95, DOI:10.1080/00102209708935738, ISSN 0010-2202 (WC · ACNP).
  6. ^ Hans Rohatschek, Levitation of stratospheric and mesospheric aerosols by gravito-photophoresis, in 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 e Heinrich Hoerber, Photophoretic separation of single-walled carbon nanotubes: a novel approach to selective chiral sorting, in Phys. Chem. Chem. Phys., vol. 16, n. 11, Royal Society of Chemistry (RSC), 2014, pp. 5221–5228, DOI:10.1039/c3cp54812k, ISSN 1463-9076 (WC · ACNP).
  8. ^ A. Ashkin, History of optical trapping and manipulation of small-neutral particle, atoms, and molecules, in IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 6, n. 6, 2000-11, pp. 841–856, DOI:10.1109/2944.902132. URL consultato il 7 luglio 2019.
  9. ^ C. Helmbrecht, C. Kykal e C. Haisch., "Photophoretic Particle Separation" in Institute of Hydrochemistry, Annual report, 2006 (PDF), su hydrochemistry.tum.de, p. 11. URL consultato il 25 maggio 2019 (archiviato dall'url originale il 25 maggio 2019).
  10. ^ Yu.I Yalamov, V.B Kutukov e E.R Shchukin, Theory of the photophoretic motion of the large-size volatile aerosol particle, in Journal of Colloid and Interface Science, vol. 57, n. 3, Elsevier BV, 1976, pp. 564–571, DOI:10.1016/0021-9797(76)90234-4, ISSN 0021-9797 (WC · ACNP).
  11. ^ C. Loesche e T. Husmann, Photophoresis on particles hotter/colder than the ambient gas for the entire range of pressures, in 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 e Jens Teiser, Photophoretic Strength on Chondrules. 1. Modeling, in The Astrophysical Journal, vol. 778, n. 2, IOP Publishing, 8 novembre 2013, p. 101, DOI:10.1088/0004-637x/778/2/101.
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