محققان با استفاده از ردیاب‌های فلورسنت، نیروهایی را که ذرات با قطر میکرومتر را در یک مایع تحت گرادیان دما حرکت می‌دهند، به تصویر کشیده اند.

ذرات پراکنده در یک مایع معمولاً در پاسخ به ضربه تصادفی که از مولکول‌های اطراف خود دریافت می‌کنند، بی‌هدف تکان می‌خورند. اما اگر مایع تحت یک گرادیان دمایی تند قرار گیرد، این حرکت تصادفی می تواند جهت دار شود زیرا گرادیان دما جریان هایی را ایجاد می کند که ذرات را از مناطق گرم مایع به مناطق سردتر منتقل می کند.

تئوری این به اصطلاح ترموفورز (thermophoresis) به طور فعال در حال توسعه است، اما مشاهدات مستقیم از ذرات معلق و مولکول های مایع اندک است. اکنون تتسورو تسوجی Tetsuro Tsuji و همکارانش در دانشگاه کیوتوی ژاپن به طور تجربی جریان های سطحی کوچکی که ترموفورز به راه می اندازند، مشخص کرده اند [1]. این جریان ها می توانند برای حرکت و تمرکز DNA و سایر مولکول های زیستی بزرگ که در مایعات معلق هستند، به کار گرفته شوند.

پژوهشگران برای آزمایشات خود، یک کره پلی استایرن به قطر 7 میکرومتر را به درب یک جعبه شفاف کوچک چسباندند. آنها جعبه را با آبی مملو از ردیاب های فلورسنت به قطر 500 نانومتر پر کردند. با تابش لیزر از پایین جعبه، گروه به طور مکرر در اطراف کره دایره کشید؛ فرآیندی که ردیاب هایی را که در دایره نور قرار داشتند به دام می انداخت. این گروه لیزر دومی را که روی یکی از نوارهای جذب آب تنظیم شده بود، در نقطه‌ای در 18 میکرومتری از کره پلی‌استایرن متمرکز کرده و آب را به صورت موضعی گرم کردند تا یک گرادیان دما در مایع و در اطراف کره ایجاد شود.

گروه تحقیق با استفاده از میکروسکوپ مشاهده کرد که پس از چند ثانیه، ردیاب‌ها روی سطح کره جریان یافته و از انتهای سرد کره به سمت گرمتر آن حرکت کردند. مشاهدات محققان نشان داد که این جریان، شتابی را به کره منتقل می کند. آنها همچنین به وجود نیرویی پی بردند که اگر کره ثابت نگه داشته نشده بود، می توانست آن را براند. مدل سازی سیستم تحت شرایط مختلف، این استنباط ها را تایید کرده است.

1-T. Tsuji et al., “Thermo-osmotic slip flows around a thermophoretic microparticle characterized by optical trapping of tracers,” Phys. Rev. Appl. 20, 054061 (2023).

منبع:

Mapping the Thermal Forces That Push Particles through Liquids