Нелинейные эффекты термофореза одиночной частицы в среде с температурным градиентом

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.

1. Onsager L. Reciprocal Relations in Irreversible Processes. I // Physical Review. 1931. Vol. 37. Iss. 4. P. 405–426. DOI: 10.1103/PhysRev.37.405.

2. Чепмен С., Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов. М.: Изд-во иностранной литературы, 1960. 510 с.

3. Дерягин Б. В., Яламов Ю. П. Термофорез в коллоидных системах // Коллоидный журнал. 1962. Т. 24. № 5. С. 605–612.

4. Seifert U. Stochastic thermodynamics: principles and perspectives // European Physical Journal B. 2008. Vol. 64. P. 423–431. DOI: 10.1140/epjb/e2008-00001-9.

5. Sekimoto K. Stochastic Energetics. Berlin: Springer, 2010. 322 p.

6. Braibanti M., Vigolo D., Piazza R. Does Thermophoretic Mobility Depend on Particle Size? // Physical Review Letters. 2008. Vol. 100. Iss. 10. Article no. 108303. DOI: 10.1103/PhysRevLett.100.108303.

7. Anomalous thermodynamics at the Microscale / A. Celani, S. Bo, R. Eichhorn, E. Aurell // Physical Review Letters. 2012. Vol. 109. Iss. 26. Article no. 260603. DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.260603.

8. Würger A. Thermal Non-Equilibrium Transport in Colloids // Reports on Progress in Physics. 2010. Vol. 73. Article no. 126601. DOI: 10.1088/0034-4885/73/12/126601.

9. Braun M., Cichos F. Optically Controlled Thermophoretic Trapping of Single Nano-Objects // ACS Nano. 2013. Vol. 7. Iss. 12. P. 11200–11208. DOI: 10.1021/nn404980k.

10. Формалев В. Ф. Теплоперенос в анизотропных твердых телах: численные методы, тепловые волны, обратные задачи: монография. М.: Физматлит, 2015. 274 с.

11. Петухова В. В., Огородников И. Н. Алгоритм решения прямой и обратной задач теплопроводности для осесимметричных моделей // Физика. Технологии. Инновации: тезисы докладов XI Международной молодежной научной конференции, посвященной 75-летию основания Физико-технологического института (Екатеринбург, 20–25 мая 2024 г.). Екатеринбург: УрФУ, 2024. C. 624–625.

12. Ciliberto S. Experiments in stochastic thermodynamics: Short history and perspectives // Physical Review X. 2017. Vol. 7. Iss. 2. Article no. 021051. DOI: 10.1103/PhysRevX.7.021051.