光泳動

光泳動とは、ガス（エアロゾル）または液体（親水コロイド）に浮遊する小さな粒子が、十分に強い光線で照射されると移動し始める現象を指します。この現象の存在は、流体媒体内の照射された粒子の温度の不均一な分布によるものです。^[1]光泳動とは別に、異なる種類の粒子の流体混合物では、いくつかの種類の粒子の移動は、熱放射の吸収やその他の熱効果の差が原因である可能性があり、これらは総称して熱泳動と呼ばれます。レーザー光泳動では、粒子は周囲の媒体と屈折率が異なると移動します。粒子の移動は通常、レーザーがわずかに焦点を合わせられているか、焦点が合っていない場合に可能です。周囲の分子と比較して屈折率が高い粒子は、吸収および散乱された光子からの運動量の移動により、光源から遠ざかります。これは放射圧力と呼ばれます。この力は光の強度と粒子サイズに依存しますが、周囲の媒体とは関係ありません^{[説明が必要]}。クルックス放射計と同様に、光は片側を加熱し、ガス分子はより高速でその表面から跳ね返り、粒子を反対側に押します。特定の条件下では、粒子の直径が光の波長に匹敵する場合、負の間接光泳動現象が発生します。これは、粒子の背面と前面の間のレーザー照射による熱発生が不均等であるためです。これにより、粒子の周囲の媒体に温度勾配が生じ、光源から遠い粒子側の分子がより加熱され、粒子が光源に向かって移動する可能性があります。^[2]

浮遊粒子が回転している場合、ヤルコフスキー効果も発生します。

光泳動の発見は、1920 年代のフェリックス・エーレンハフトによるものとされることが多いが、それ以前にもオーギュスタン＝ジャン・フレネルを含む他の人々によって観察が行われていた。

光泳動の応用は科学のさまざまな分野、つまり物理学、化学、生物学にまで広がっています。光泳動は、粒子の捕捉と浮上、^[3]粒子のフィールドフロー分画、^{[4]微細粒子の}熱伝導率と温度の測定^[5]や大気中のすす粒子の輸送^[6]に応用されています。光を使用して光学特性に基づいて粒子エアロゾルを分離すると、同じ空気力学的サイズの有機粒子と無機粒子を分離することができます。^[7]

最近、光泳動が単層カーボンナノチューブのキラル選別機構として提案されました。^[8]提案された方法は、電子構造における光励起遷移から生じる半導体カーボンナノチューブの吸収スペクトルの違いを利用します。この技術が開発されれば、現在確立されている超遠心分離技術よりも桁違いに高速になります。

2021年にアザディ、ポポフらは「長時間の近宇宙飛行の候補として、ナノ構造表面を持つマクロなポリマーフィルムの光駆動浮上」を報告した。彼らは太陽光に匹敵する光の強度を使用して、片面にカーボンナノチューブをコーティングした市販の0.5ミクロン厚のマイラーフィルムで作られたセンチメートル規模のディスクを浮上させた。^[9]シェーファー、キム、ブラサック、キースの実験は、光泳動力が大気科学、特に高高度の気象監視の目的で、地球の成層圏に10センチメートル規模の薄い構造物を無期限に浮上させることができることを示唆している。彼らは2022年に、利用可能な方法で製造された直径10センチの装置の予備設計について説明し、2μm離れた2つの膜^[10]の浮上構造を、輸送、展開、高度25kmでの飛行に耐える強度があることがテストされた堅い支持構造に組み合わせた。積載量は300mgで、10Mb/s以上の双方向無線通信と航行制御をサポートできる。構造を拡大すれば、数グラムの積載量も可能になるかもしれない。彼らは通信や火星への配備に使うことを提案している。^[11]

直接光泳動は、屈折と反射によって光子の運動量が粒子に伝達されることによって引き起こされます。^[12]粒子が透明で、周囲の媒体と比較して屈折率が大きい場合、粒子が前方に移動します。 ^[7]間接光泳動は、粒子が照射側でのみ入射光を吸収し、粒子内に温度勾配が生じるときに、分子の運動エネルギーが増加する結果として発生します。この状況では、周囲のガス層は粒子の表面と温度平衡に達します。ガス温度が高い領域で運動エネルギーが高い分子は、冷たい領域の分子よりも大きな運動量で粒子に衝突します。これにより、表面温度勾配と反対方向に粒子が移動します。この現象の原因となる光泳動力の成分は、放射力と呼ばれます。^{[13]これは、}放射エネルギーの不均一な分布（粒子内のソース機能）の結果として発生します。間接光泳動力は、粒子と周囲の媒体の物理的特性に依存します。

圧力 の場合、ガスの自由平均行程が懸濁粒子の特性サイズよりもはるかに大きい場合（直接光泳動）、縦方向の力は^[14]${\displaystyle p}$${\displaystyle r_{0}}$

${\displaystyle \mathbf {F} _{\text{phot}}=-{\frac {\pi }{3}}\,\alpha \,\alpha _{\text{m}}{\frac {p}{\sqrt {{\overline {T_{\text{ガス}}^{\text{out}}}}\,T_{\text{ガス}}^{\text{in}}}}}\,r_{0}^{2}\,{\frac {I\,J_{1}}{{\frac {k}{r_{0}}}+4\sigma _{\text{SB}}\varepsilon \,T_{\text{黒体}}^{3}}}\,\mathbf {e} _{z}}$

ここで散乱ガスの平均温度は（熱順応係数、運動量順応係数） ${\displaystyle \alpha}$${\displaystyle \alpha _{\text{m}}}$

${\displaystyle {\overline {T_{\text{ガス}}^{\text{出力}}}}=T_{\text{ガス}}^{\text{入力}}+\alpha \left(T_{\text{黒体}}-T_{\text{ガス}}^{\text{入力}}\right)}$

粒子の黒体温度（正味光束、シュテファン・ボルツマン定数、放射場の温度） ${\displaystyle I=\バレプシロン \,I_{0}}$${\displaystyle \sigma _{\text{SB}}}$${\displaystyle T_{\text{opt}}}$

${\displaystyle T_{\text{黒体}}={\sqrt[{4}]{{\frac {I_{0}}{4\sigma _{\text{SB}}}}+T_{\text{opt}}^{4}}}}$。

${\displaystyle k}$は粒子の熱伝導率である。球形の非対称係数は通常（正の縦方向光泳動）である。非球形粒子の場合、粒子に及ぼされる平均力は同じ式で与えられ、半径はそれぞれの体積相当球の半径となる。^[15]${\displaystyle J_{1}}$${\displaystyle 1/2}$${\displaystyle r_{0}}$

• 天体物理学における光泳動
• ネガティブフォトフォレシス