Termoforesis

La termoforesis (también termomigración , termodifusión , efecto Soret o efecto Ludwig-Soret ) es un fenómeno observado en mezclas de partículas móviles donde los diferentes tipos de partículas presentan respuestas distintas a la fuerza de un gradiente de temperatura . Este fenómeno tiende a mover las moléculas ligeras hacia las regiones calientes y las moléculas pesadas hacia las regiones frías. El término termoforesis se aplica con mayor frecuencia a mezclas de aerosoles cuyo recorrido libre medio${\displaystyle \lambda }$es comparable a su escala de longitud característica${\displaystyle L}$, ^{[ 1 ]} pero también puede referirse comúnmente al fenómeno en todas las fases de la materia . El término efecto Soret normalmente se aplica a mezclas líquidas, que se comportan según mecanismos diferentes y menos comprendidos que las mezclas gaseosas . La termoforesis puede no aplicarse a la termomigración en sólidos, especialmente en aleaciones multifásicas.

El fenómeno se observa a una escala de un milímetro o menos. Un ejemplo que puede observarse a simple vista con buena iluminación es cuando la resistencia de un calentador eléctrico está rodeada de humo de tabaco: el humo se aleja de la zona inmediata de la resistencia. A medida que las pequeñas partículas de aire más cercanas a la resistencia se calientan, crean un flujo rápido que se aleja de ella, siguiendo el gradiente de temperatura. Si bien la energía cinética de las partículas es similar a la misma temperatura, las partículas más ligeras adquieren mayor velocidad que las más pesadas. Al colisionar con las partículas grandes y más lentas del humo del tabaco, las empujan lejos de la resistencia. La fuerza que ha empujado las partículas de humo lejos de la resistencia es un ejemplo de fuerza termoforética, ya que el recorrido libre medio del aire en condiciones ambientales es de 68  nm ^{[ 2 ]} y las escalas de longitud características se encuentran entre 100 y 1000  nm ^{[ 3 ] .}

La termodifusión se denomina "positiva" cuando las partículas se mueven de una región caliente a una fría y "negativa" cuando ocurre lo contrario. Generalmente, las especies más pesadas/grandes de una mezcla presentan un comportamiento termoforético positivo, mientras que las más ligeras/pequeñas presentan un comportamiento negativo. Además del tamaño de los distintos tipos de partículas y la pendiente del gradiente de temperatura, la conductividad térmica y la absorción de calor de las partículas también influyen. Braun y colaboradores han sugerido que la carga y la entropía de la capa de hidratación de las moléculas desempeñan un papel fundamental en la termoforesis de las biomoléculas en soluciones acuosas. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

La descripción cuantitativa viene dada por $${\displaystyle {\frac {\partial \chi }{\partial t}}=\nabla \cdot (D\,\nabla \chi +D_{\text{T}}\,\chi (1-\chi )\,\nabla T),}$$ dónde${\displaystyle \chi }$es la concentración de partículas,${\displaystyle D}$el coeficiente de difusión y${\displaystyle D_{\text{T}}}$el coeficiente de termodifusión . El cociente de ambos coeficientes, $${\displaystyle S_{T}={\frac {D_{\text{T}}}{D}},}$$ Se denomina coeficiente de Soret.

El factor de termoforesis se ha calculado a partir de potenciales de interacción molecular derivados de modelos moleculares conocidos. ^{[ 6 ]}

La fuerza termoforética tiene diversas aplicaciones prácticas. La base de estas aplicaciones reside en que, debido a que los distintos tipos de partículas se mueven de manera diferente bajo la acción del gradiente de temperatura, dicha fuerza permite separar las partículas una vez mezcladas, o bien, impedir que se mezclen si ya están separadas.

Los iones de impurezas pueden moverse desde el lado frío de una oblea semiconductora hacia el lado caliente, ya que la temperatura más alta hace que la estructura de transición necesaria para los saltos atómicos sea más alcanzable. El flujo difusivo puede ocurrir en cualquier dirección (ya sea hacia arriba o hacia abajo del gradiente de temperatura), dependiendo de los materiales involucrados. La fuerza termoforética se ha utilizado en precipitadores comerciales para aplicaciones similares a los precipitadores electrostáticos . Se explota en la fabricación de fibra óptica en procesos de deposición al vacío . Puede ser importante como mecanismo de transporte en la incrustación . También se ha demostrado que la termoforesis tiene potencial para facilitar el descubrimiento de fármacos al permitir la detección de la unión de aptámeros mediante la comparación del movimiento unido versus no unido de la molécula objetivo. ^{[ 7 ]} Este enfoque se ha denominado termoforesis a microescala . ^{[ 8 ] [ 9 ]} Además, se ha demostrado que la termoforesis es una técnica versátil para manipular macromoléculas biológicas individuales, como ADN de longitud genómica y el virus del VIH ^{[ 10 ] [ 11 ]} en micro y nanocanales mediante calentamiento local inducido por luz. ^{[ 12 ]} La termoforesis es uno de los métodos utilizados para separar diferentes partículas de polímero en fraccionamiento de flujo de campo . ^{[ 13 ]}

La termoforesis en mezclas de gases fue observada y reportada por primera vez por John Tyndall en 1870 y comprendida posteriormente por John Strutt (Barón Rayleigh) en 1882. ^{[ 14 ]} La termoforesis en mezclas líquidas fue observada y reportada por primera vez por Carl Ludwig en 1856 y comprendida posteriormente por Charles Soret en 1879.

James Clerk Maxwell escribió en 1873 acerca de mezclas de diferentes tipos de moléculas (y esto podría incluir pequeñas partículas más grandes que las moléculas): ^{[ 15 ]}

Este proceso de difusión  ... se produce en gases y líquidos, e incluso en algunos sólidos  ... La teoría dinámica también nos dice qué sucederá si se permite que moléculas de diferentes masas choquen entre sí. Las masas mayores se moverán más lentamente que las menores, de modo que, en promedio, cada molécula, grande o pequeña, tendrá la misma energía cinética. La demostración de este teorema dinámico, en la que reivindico la prioridad, ha sido recientemente desarrollada y mejorada en gran medida por el Dr. Ludwig Boltzmann . 

Ha sido analizado teóricamente por Sydney Chapman .

La termoforesis en las interfaces de sólidos fue descubierta numéricamente por Schoen et al. en 2006 ^{[ 16 ]} y fue confirmada experimentalmente por Barreiro et al. ^{[ 17 ].}

La termoforesis negativa en fluidos fue observada por primera vez en 1967 por Dwyer ^{[ 18 ]} en una solución teórica, y el nombre fue acuñado por Sone. ^{[ 19 ]} La termoforesis negativa en interfaces de sólidos fue observada por primera vez por Leng et al. ^{[ 20 ]} en 2016.

• Deposición (física de aerosoles)
• Efecto Dufour
• difusión de Maxwell-Stefan
• Termoforesis a microescala

• Una breve introducción a la termoforesis, que incluye útiles gráficos animados, se encuentra en aerosols.wustl.edu
• Termoforesis de ADN en una solución acuosa en YouTube
• Mezclas ternarias
• HCl
• bromuros alcalinos