熱泳

熱泳，也稱為熱泳法或索瑞特效應^[1][2]，是溫度梯度對顆粒產生的效應，造成它們從一個熱板移動至低溫區。該現象傾向於將輕分子移動到高溫區域，將重分子移動到低溫區域。術語「熱泳」最常用於平均自由程${\displaystyle \lambda }$與其特徵長度尺度${\displaystyle L}$相當的氣溶膠混合物^[3]，但也常常指所有物相中的該現象。術語「索瑞特效應」通常用於液體混合物。這種效應在行星分化中有重大的作用，在光纖的製造中更是功績顯赫。

熱泳所引起的塵埃沉積。

在日常生活中最明顯的例子是靠近暖氣的牆面會發黑，這是因為牆面溫度較低，與暖氣產生溫度梯度，空氣中的顆粒因而碰撞到牆面而被吸附。

熱泳作用力

該現象在約一毫米或更小尺度上觀察到。一個可用肉眼在良好光照下看到的例子是：當電暖器的發熱棒周圍有煙霧時，煙霧會遠離發熱棒。靠近發熱棒的空氣小粒子被加熱後沿溫度梯度向外快速流動。儘管在相同溫度下粒子的動能相近，輕粒子獲得的速度比重粒子更高。當它們與煙霧中較大且較慢的粒子碰撞時，會把這些較大粒子自發熱棒處推開。把煙霧粒子從發熱棒推開的力就是熱泳力的一個例子。在環境條件下，空氣的平均自由程約為68 nm^[4]，而相關的特徵長度尺度在100-1000 nm之間^[5]。

當粒子從熱區移動到冷區時，熱擴散被稱為「正（positive）」；反向則稱為「負（negative）」。通常混合物中較重或較大的組分表現為正向熱泳，而較輕或較小的組分表現為負向。除粒子尺寸和溫度梯度陡峭程度外，粒子的熱導率和吸熱性也起作用。Braun等人提出分子水合殼的電荷和熵對水溶液中生物分子的熱泳起主要作用。^[6][7]

定量描述為：

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

其中${\displaystyle \chi }$為粒子濃度，${\displaystyle D}$為擴散係數，${\displaystyle D_{T}}$為熱擴散係數。兩者之比

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

稱為索瑞特係數。

熱泳因子已根據已知分子模型由分子相互作用勢計算得出^[8]。

應用

熱泳力有多種實際應用。應用的基礎是不同粒子在溫度梯度作用下遷移不同。混合後可用該力分離不同粒子；已分離的粒子可用該力防止再混合。

雜質離子可能從半導體晶圓的冷側遷移到熱側，因為較高溫度使得原子躍遷所需的過渡結構更易實現。擴散通量可沿或逆溫度梯度方向，取決於所涉材料。熱泳力已在商業靜電除塵器中用於類似用途。它利用於光纖製造的真空沉積（英語：Vacuum deposition）過程中。它可作為污垢沉積（fouling）中的重要傳輸機制。熱泳也被證明可用於藥物發現，通過比較目標分子結合與未結合時的運動來檢測適體結合。^[9]該方法被稱為微尺度熱泳（英語：Microscale thermophoresis）。^[10][11]熱泳已被展示為操作單個生物大分子（如基因組尺度DNA和HIV病毒^[12][13]）的一種多用途技術，通常在微納通道中通過光誘導的局部加熱實現。^[14]此外，熱泳是用於在場流分離中分離不同聚合物顆粒的方法之一。^[15]

歷史

氣體混合物中的熱泳最早由約翰·丁達爾於1870年觀察並報告，1882年由約翰·斯特拉特進一步闡明。^[16]液體混合物中的熱泳最早由卡爾·路德維希於1856年觀察並報告，1879年由查爾斯·索瑞特（英語：Charles Soret）進一步研究。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在1873年關於不同類型分子混合（這也可包括比分子更大的微粒）的論述中寫道：

「擴散這一過程……發生在氣體、液體甚至某些固體中……動力學理論也告訴我們，如果不同質量的分子互相碰撞會發生什麼。較大的質量運動更慢，較小的質量運動更快，因此平均而言，每個分子無論大小將具有相同的運動能量。我主張優先證明的這一動力學定理最近已被玻爾茲曼博士大大發展和改進。」^[17]

該現象曾被西德尼·查普曼在理論上分析。

固體界面的熱泳於2006年由Schoen等人在數值上發現，並由Barreiro等人在實驗上證實。^[18][19]

流體中的負熱泳最早在1967年由Dwyer^[20]在一個理論解中注意到，術語「負熱泳」由Sone提出^[21]。固體界面的負熱泳首次由Leng等人在2016年觀察到^[22]。

相關

• 沉降 (氣溶膠物理學)