熱泳動

熱泳動（サーモマイグレーション、熱拡散、ソレー効果、ルートヴィヒ・ソレー効果とも呼ばれる）は、異なる粒子タイプが温度勾配の力に対して異なる反応を示す、移動性粒子の混合物で観察される現象である。この現象は、軽い分子を高温領域に、重い分子を低温領域に移動する傾向がある。熱泳動という用語は、平均自由行程がその特性長さスケールに匹敵するエアロゾル混合物に最もよく適用されるが、^[1]物質のすべての相における現象を指すこともよくある。ソレー効果という用語は通常、気体混合物とは異なる、あまりよく理解されていないメカニズムに従って動作する液体混合物に適用される。熱泳動は、固体、特に多相合金の熱移動には適用されない可能性がある。^[要出典] ${\displaystyle \lambda}$${\displaystyle L}$

この現象は 1 ミリメートル以下のスケールで観察されます。明るい場所で肉眼で観察できる例としては、電気ヒーターのホット ロッドがタバコの煙に囲まれているときが挙げられます。煙はホット ロッドのすぐ近くから遠ざかります。ホット ロッドに最も近い空気の小さな粒子が加熱されると、温度勾配に沿ってロッドから遠ざかる高速の流れが生まれます。粒子の運動エネルギーは同じ温度では同じですが、軽い粒子は重い粒子よりも速度が速くなります。タバコの煙の大きくて動きの遅い粒子と衝突すると、後者をロッドから押しのけます。煙の粒子をロッドから押しのけた力は熱泳動力の一例です。周囲条件での空気の平均自由行程は 68 nm ^[2]であり、特徴的な長さのスケールは 100～1000 nm です。^[3]

熱拡散は、粒子が高温から低温領域へ移動する場合に「正」、その逆の場合は「負」と分類されます。通常、混合物中の重い/大きい種は正の熱泳動挙動を示し、軽い/小さい種は負の挙動を示します。さまざまなタイプの粒子のサイズと温度勾配の急峻さに加えて、粒子の熱伝導率と熱吸収も役割を果たします。最近、ブラウンと同僚は、分子の水和殻の電荷とエントロピーが水溶液中の生体分子の熱泳動に大きな役割を果たしていると示唆しました。^{[4] [5]}

定量的な説明は次のように与えられます。

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

${\displaystyle \chi}$粒子濃度、拡散係数、熱拡散係数。両係数の商は ${\displaystyle D}$${\displaystyle D_{T}}$

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

ソレ係数と呼ばれます。

熱泳動係数は、既知の分子モデルから導かれた分子相互作用ポテンシャルから計算されている。^[6]

熱泳動力には、数多くの実用的な用途があります。その応用の根拠は、異なる粒子タイプは温度勾配の力によって異なる動きをするため、粒子タイプは混合された後にその力によって分離されるか、またはすでに分離されている場合は混合を防ぐことができるという点です。

不純物イオンは半導体ウェハーの冷たい側から熱い側に向かって移動する可能性がある。これは、温度が高いほど原子ジャンプに必要な遷移構造がより達成しやすくなるためである。拡散流束は、関係する材料に応じて、どちらの方向（温度勾配の上または下）にも発生する可能性がある。熱泳動力は、静電集塵機に似た用途の市販の集塵機で使用されている。真空蒸着プロセスにおける光ファイバーの製造に利用されている。これは、ファウリングの輸送メカニズムとして重要になる可能性がある。熱泳動は、標的分子の結合運動と非結合運動を比較することでアプタマー結合を検出できるようにすることで、創薬を促進する可能性もあることがわかっている。 ^{[7]このアプローチは、}マイクロスケール熱泳動と呼ばれている。^{[8] [9]}さらに、熱泳動は、光誘起局所加熱によってマイクロチャネルやナノチャネル内のゲノム長DNAやHIVウイルス^{[10] [11]などの単一の生物学的高分子を操作するための多目的技術として実証されています。 [12]熱泳動は、}フィールドフローフラクショネーションで異なるポリマー粒子を分離するために使用される方法の1つです。^[13]

気体混合物における熱泳動は、1870年にジョン・ティンダルによって初めて観察・報告され、1882年にジョン・ストラット（レイリー男爵）によってさらに理解されました。 ^[14]液体混合物における熱泳動は、1856年にカール・ルートヴィヒによって初めて観察・報告され、1879年にシャルル・ソレによってさらに理解されました。

ジェームズ・クラーク・マクスウェルは1873 年に、異なる種類の分子の混合物 (分子よりも大きい 小さな粒子も含まれる可能性がある) に関して次のように書いています。

「この拡散のプロセスは、気体や液体、さらには一部の固体でも進行します。動力学理論は、異なる質量の分子が一緒に動き回った場合に何が起こるかを教えてくれます。質量の大きい分子は小さい分子よりも動きが遅くなるため、平均すると、大きい分子も小さい分子も、すべての分子は同じ運動エネルギーを持ちます。私が優先権を主張するこの動力学定理の証明は、最近ルートヴィヒ・ボルツマン博士によって大きく発展、改善されました。」^[15]

シドニー・チャップマンによって理論的に分析されました。

固体界面における熱泳動は、2006年にSchoenらによって数値的に発見され^[16]、Barreiroらによって実験的に確認されました^[17]。

流体中の負の熱泳動は、1967年にDwyer ^[18]によって理論的解決法で初めて発見され、その名前はSoneによってつけられました。^[19]固体界面での負の熱泳動は、 2016年に Lengらによって初めて観察されました。 ^[20]

• 沈着（エアロゾル物理学）
• デュフォー効果
• マクスウェル・ステファン拡散
• マイクロスケール熱泳動

• 役に立つアニメーショングラフィックを含む熱泳動の簡単な紹介は、aerosols.wustl.edu にあります。
• YouTubeの水溶液中の DNA の熱泳動
• 三成分混合物
• 塩酸
• アルカリ臭化物