Fotoforesis

La fotoforesis denota el fenómeno por el cual pequeñas partículas suspendidas en gas (aerosoles) o líquidos (hidrocoloides) comienzan a migrar cuando son iluminadas por un haz de luz suficientemente intenso . La existencia de este fenómeno se debe a una distribución no uniforme de la temperatura de una partícula iluminada en un medio fluido . ^{[ 1 ]} Independientemente de la fotoforesis, en una mezcla fluida de diferentes tipos de partículas, la migración de algunos tipos de partículas puede deberse a diferencias en sus absorciones de radiación térmica y otros efectos térmicos conocidos colectivamente como termoforesis . En la fotoforesis láser, las partículas migran una vez que tienen un índice de refracción diferente al de su medio circundante. La migración de partículas generalmente es posible cuando el láser está ligeramente enfocado o no está enfocado. Una partícula con un índice de refracción más alto en comparación con su molécula circundante se aleja de la fuente de luz debido a la transferencia de momento de los fotones de luz absorbidos y dispersados. Esto se conoce como fuerza de presión de radiación . Esta fuerza depende de la intensidad de la luz y del tamaño de la partícula, pero no tiene nada que ver con el medio circundante . Al igual que en el radiómetro de Crookes , la luz puede calentar un lado y las moléculas de gas rebotan en esa superficie con mayor velocidad, empujando así la partícula hacia el otro lado. Bajo ciertas condiciones, con partículas de diámetro comparable a la longitud de onda de la luz, se produce el fenómeno de fotoforesis indirecta negativa. Debido a la generación desigual de calor por la irradiación láser entre las caras posterior y frontal de las partículas, se genera un gradiente de temperatura en el medio que rodea la partícula, de modo que las moléculas en el lado más alejado de la fuente de luz pueden calentarse más, provocando que la partícula se mueva hacia la fuente de luz. ^{[ 2 ]}

Si la partícula suspendida está girando, también experimentará el efecto Yarkovsky .

El descubrimiento de la fotoforesis se suele atribuir a Felix Ehrenhaft en la década de 1920, aunque otros, entre ellos Augustin-Jean Fresnel , realizaron observaciones anteriores .

Las aplicaciones de la fotoforesis se extienden a diversas ramas de la ciencia, como la física, la química y la biología. La fotoforesis se aplica en la captura y levitación de partículas, ^{[ 3 ]} en la fracción de partículas por flujo de campo, ^{[ 4 ]} en la determinación de la conductividad térmica y la temperatura de granos microscópicos ^{[ 5 ]} y también en el transporte de partículas de hollín en la atmósfera. ^{[ 6 ]} El uso de la luz en la separación de aerosoles de partículas , según sus propiedades ópticas, permite la separación de partículas orgánicas e inorgánicas del mismo tamaño aerodinámico . ^{[ 7 ]}

Recientemente, se ha sugerido la fotoforesis como un mecanismo de clasificación quiral para nanotubos de carbono de pared simple. ^{[ 8 ]} El método propuesto utilizaría las diferencias en los espectros de absorción de los nanotubos de carbono semiconductores, derivadas de transiciones ópticamente excitadas en la estructura electrónica. De desarrollarse, la técnica sería varios órdenes de magnitud más rápida que las técnicas de ultracentrifugación actualmente establecidas.

En 2021 Azadi, Popov et al. informan "levitación impulsada por luz de películas de polímero macroscópicas con superficie nanoestructurada como candidatas para vuelos de larga duración cerca del espacio". Utilizando una intensidad de luz comparable a la luz solar, levitaron discos de escala centimétrica hechos de película de mylar comercial de 0,5 micras de espesor recubierta con nanotubos de carbono en un lado. ^{[ 9 ]} Los experimentos de Schafer, Kim, Vlassak y Keith sugieren que las fuerzas fotoforéticas podrían levitar estructuras delgadas de escala de 10 centímetros en la estratosfera terrestre indefinidamente con el propósito de la ciencia atmosférica , especialmente el monitoreo del clima de gran altitud. Describen en 2022 un diseño preliminar fabricado con métodos disponibles de un  dispositivo de 10 cm de diámetro que combina una estructura levitante de dos membranas ^{[ 10 ]} separadas 2 μm en una estructura de soporte rígida probada para tener la resistencia suficiente para soportar el transporte, el despliegue y el vuelo a 25  km de altitud. La capacidad de carga útil es de 300  mg y podría soportar comunicación por radio bidireccional a más de 10  Mb/s y cierto control de navegación. Al aumentar el tamaño de la estructura, podría transportar cargas útiles de unos pocos gramos. Sugieren usos para telecomunicaciones y despliegue en Marte. ^{[ 11 ]} En 2025 presentaron un diseño para la mesosfera . ^{[ 12 ]}

La fotoforesis directa se produce por la transferencia de momento de un fotón a una partícula mediante refracción y reflexión. ^{[ 13 ]} El movimiento de las partículas en la dirección de avance ocurre cuando la partícula es transparente y tiene un índice de refracción mayor que el de su medio circundante. ^{[ 7 ]} La fotoforesis indirecta se produce como resultado de un aumento en la energía cinética de las moléculas cuando las partículas absorben la luz incidente solo en el lado irradiado, creando así un gradiente de temperatura dentro de la partícula. En esta situación, la capa de gas circundante alcanza el equilibrio térmico con la superficie de la partícula. Las moléculas con mayor energía cinética en la región de mayor temperatura del gas impactan en la partícula con mayor momento que las moléculas en la región fría; esto provoca una migración de partículas en dirección opuesta al gradiente de temperatura superficial. El componente de la fuerza fotoforética responsable de este fenómeno se denomina fuerza radiométrica. ^{[ 14 ]} Esto se debe a la distribución desigual de la energía radiante (función fuente dentro de una partícula). La fuerza fotoforética indirecta depende de las propiedades físicas de la partícula y del medio circundante.

Para presiones${\displaystyle p}$donde el camino libre medio del gas es mucho mayor que el tamaño característico.${\displaystyle r_{0}}$de la partícula suspendida (fotoforesis directa), la fuerza longitudinal es ^{[ 15 ]}

${\displaystyle \mathbf {F} _{\text{phot}}=-{\frac {\pi }{3}}\,\alpha \,\alpha _{\text{m}}{\frac {p}{\sqrt {{\overline {T_{\text{gas}}^{\text{out}}}}\,T_{\text{gas}}^{\text{in}}}}}\,r_{0}^{2}\,{\frac {I\,J_{1}}{{\frac {k}{r_{0}}}+4\sigma _{\text{SB}}\varepsilon \,T_{\text{black body}}^{3}}}\,\mathbf {e} _{z}}$

donde la temperatura media del gas disperso es (coeficiente de acomodación térmica)${\displaystyle \alpha }$, coeficiente de acomodación de momento${\displaystyle \alpha _{\text{m}}}$)

${\displaystyle {\overline {T_{\text{gas}}^{\text{salida}}}}=T_{\text{gas}}^{\text{entrada}}+\alpha \left(T_{\text{cuerpo negro}}-T_{\text{gas}}^{\text{entrada}}\right)}$

y la temperatura de cuerpo negro de la partícula (flujo de luz neto)${\displaystyle I=\varepsilon \,I_ {0}}$, constante de Stefan Boltzmann${\displaystyle \sigma _{\text{SB}}}$, temperatura del campo de radiación${\displaystyle T_{\text{opt}}}$)

${\displaystyle T_{\text{cuerpo negro}}={\sqrt[{4}]{{\frac {I_{0}}{4\sigma _{\text{SB}}}}+T_{\text{opt}}^{4}}}}$.

${\displaystyle k}$es la conductividad térmica de la partícula. El factor de asimetría para esferas${\displaystyle J_{1}}$suele ser${\displaystyle 1/2}$(fotoforesis longitudinal positiva). Para partículas no esféricas, la fuerza promedio ejercida sobre la partícula viene dada por la misma ecuación donde el radio${\displaystyle r_{0}}$ahora es el radio de la esfera equivalente en volumen correspondiente. ^{[ 16 ]}

• Fotoforesis en el contexto de la astrofísica
• Fotoforesis negativa