Дорохова Ольга Евгеньевна – кандидат педагогических наук, доцент, доцент кафедры физико-математических дисциплин
г. Москва
Olga E. Dorokhova – Cand. Sci. (Education), Assoc. Prof., Department of Physics and Mathematics
Moscow
Парёнкина Виктория Игоревна – старший преподаватель кафедры физико-математических дисциплин
г. Москва
Viktoriya I. Parenkina – Senior Lecturer, Department of Physics and Mathematics
Moscow
Радаев Сергей Юрьевич – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физико-математических дисциплин
г. Москва
Sergey Yu. Radaev – Cand. Sci. (Phys.-Math.), Assoc. Prof., Department of Physics and Mathematics
Moscow
Уварова Наталья Игоревна – преподаватель кафедры физикоматематических дисциплин
г. Москва
Nataliya I. Uvarova – Lecturer, Department of Physics and Mathematics
Moscow
Цель – разработка микроскопической модели термофореза одиночной частицы, выходящей за рамки линейного приближения и учитывающей существенные нелинейные эффекты, возникающие в условиях сильных температурных градиентов.
Процедура и методы. В работе применены методы стохастической термодинамики и использовано модифицированное уравнение Ланжевена с температурно-зависимыми параметрами, что позволило провести аналитический вывод выражения для термофоретической скорости с учётом квадратичных поправок по градиенту температуры.
Результаты. Полученные результаты демонстрируют качественно новые особенности термофоретического дрейфа: возможность инверсии направления движения частиц при достижении критических значений температурного градиента, существенные отклонения от предсказаний линейной теории в области сильных неоднородностей температурного поля, а также выраженную зависимость наблюдаемых эффектов от параметров среды. Проведённый анализ флуктуационно-диссипативных соотношений установил связь между микроскопическими характеристиками системы и макроскопическими проявлениями термофореза.
Теоретическая и практическая значимость заключается в существенном расширении фундаментальных представлений о механизмах термофоретического переноса, впервые систематически учитывающем нелинейные эффекты второго порядка. С практической точки зрения разработанная модель создаёт основу для новых методов управления движением частиц в микрофлюидных устройствах и нанотехнологических применениях, а также позволяет объяснить ряд экспериментально наблюдаемых аномалий в поведении коллоидных систем и биологических объектов в неоднородных температурных полях.
Aim. Development of a microscopic model of thermophoresis of a single particle that goes beyond the linear approximation and takes into account significant nonlinear effects that occur under conditions of strong temperature gradients.
Methodology. The methods of stochastic thermodynamics were applied and the modified Langevin equation with temperature-dependent parameters was used, which made it possible to analytically derive the expression for the thermophoretic velocity taking into account quadratic corrections for the temperature gradient.
Results. The results obtained demonstrate qualitatively new features of thermophoretic drift: the possibility of inverting the direction of particle motion when critical values of the temperature gradient are reached, significant deviations from the predictions of linear theory in the field of strong temperature field inhomogeneities, as well as a pronounced dependence of the observed effects on the parameters of the medium. The analysis of fluctuation-dissipative ratios established a connection between the microscopic characteristics of the system and the macroscopic manifestations of thermophoresis.
Research implications. lie in a significant expansion of the fundamental concepts of thermophoretic transfer mechanisms, which for the first time systematically takes into account second-order nonlinear effects. From a practical point of view, the developed model creates the basis for new methods for controlling particle motion in microfluidic devices and nanotechnology applications, and also allows us to explain a number of experimentally observed anomalies in the behavior of colloidal systems and biological objects in inhomogeneous temperature fields.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.