Thermal diffusion, also called thermophoresis or Soret effect, has been discovered for more than 100 years and has been found in different systems. This phenomenon describes the mass transfer caused from temperature gradient. It is generally believed that thermodiffusion can be described by linear nonequilibrium thermodynamic relations, given by the following phenomenological relation for concentration C:

where is the total mass flux, is the mass flux due to diffusion, is the mass flux due to thermodiffusion, is diffusion constant, and is thermodiffusion constant. This phenomenon is studied from the concentration distribution in steady-state and not fully understood.

In this thesis, we study the thermophoresis from the single colloidal bead and single polymer. From the thermophoresis of beads, we find that the thermophoresis can be viewed as a process driven by the temperature gradient induced force, thermal force. From the conformations of DNA during thermophoresis, we find the unique way of migration of DNA in temperature gradient which may help people to understand how the force is applied on the single polymer. Based on the results of thermophoresis, we experimentally for the first time measure the temperature induced force by optical tweezers. We also measure the thermal force of single DNA from its intrinsic elastic responses. We demonstrate that the conformation of polymer can be controlled by temperature gradient. The thermal force obtained in both cases shows the linear relation with temperature gradients.

We further use the temperature gradient to manipulate molecules. Single polymer can be trapped and colloidal particles can be assembled with spatial control of temperature. In study the interactions between different objects in temperature gradient, we find a new phenomenon relative to depletion force and the osmotic pressure in polymer solution. We propose a new general optical trapping method to control the entropic force by laser induced optothermal effects. We elucidate the mechanism from the entopic contribution of depletion layers. Various kinds of objects can be manipulated by this method. This entropic force induced phenomenon would bring advances in manipulation technology in many fields of science and engineering.

In chapter 2 thermophoresis:

We use surface heating method in a quasi-2D thin chamber to studying the thermophoresis of the single bead and single DNA. Our results suggest that the thermophoresis can be studied by the measuring the response of single particle. We show that the temperature dependence of thermodiffusion constant is same as the temperature dependence of viscosity of the background solution. This implies that the thermophoresis can be viewed as the result of the temperature gradient induced force. The properties of thermophoresis are determined by this force and the condition during migration.

In single DNA, we directly measure the conformation and orientation of single DNA during thermophoresis. The results suggest that the thermophoresis of DNA should be treated as thermophoresis of several linked segments without hydrodynamic interactions which has been long time anticipated but never been measured. We also find that DNA with different expansion ratios move with different speed in temperature gradient. This suggests that the conformations of DNA may bring additional nonlinear responses.

In chapter 3 thermal force:

We provide the new method to study the temperature gradient induced force, thermal force, at single particle level. We experimentally measure the thermal force from the single bead and single DNA. We find that in both cases the relations between temperature gradient and thermal force relation are linear.

The thermal force of the particle measured from optical tweezers agrees with the drag force estimated in thermophoresis. This result not only shows that the thermophoresis is driven by thermal force but also indicates that even the particle does not move, there is still a force coming form the temperature gradient. This is further proved by the thermostretch of tethered DNA. The concept that thermophoresis is driven by this thermal force may directly lead a useful understanding about why temperature dependence of thermodiffusion constant is same as the temperature dependence of viscosity of the background solution.

This result also suggests that the linear range of thermal force is larger the linear range of thermophoresis because thermophoresis depends on details, like viscosity, interactions between particles, or the environment during migration. In this point of view, we may extend the thermodynamic linear relation on flux induced by temperature gradient, , to linear relation on force induced by temperature gradient, , in the single particle limitation, where is the thermal force coefficient. This should be more appropriate for a single particle. This treatment may give an easy way to deal with thermal force in further study especially at single particle level.

We also show that controlling the temperature gradient is a powerful tool to study and to manipulate single molecule. Optical and magnetic tweezers use gradient of intensity in electric field and magnetic field respectively. Stretching DNA by shear flow uses a steep gradient of velocity. We demonstrated that gradient of temperature can be also used to apply force locally to single molecules. We stretch DNA by temperature gradient. This kind of manipulation may open possibilities for future applications of single DNA manipulation with temperature gradient, for instance in micro fluidic devices.

In chapter 4 optothermal manipulation:

We present two methods for optothermal manipulations, primary and secondary optothermal manipulation. In primary optothermal manipulation which depends on the responses of the object in temperature gradient, we show how to trap single DNA and how to assemble colloids by controlling the temperature profiles. This method is useful but it also needs more considerations of objects themselves and the optical setups. In the secondary optothermal manipulation which depends on the interactions between different components in temperature gradient, we discover a new way for all optical control of entropic force which overcomes the limitation of conventional laser tweezers. With this method, colloidal particles such as submicron sized beads, non-tethered DNA molecules, and biological cells are easily trapped when only a little amount of polymer is added in solutions.

We also elucidate the mechanism of this new optical trap. It can be described as following. In the heating spot of laser focus, polymer density becomes lower than outer region, so the colloid which is dressed with the depletion layer allows more polymers to have their conformations when it is trapped in the center. Therefore the force directs toward the hot spot to increase overall entropy. This new trapping method can also become a method to control osmotic pressure. The osmotic pressure can be locally controlled with light may lead numerous applications since osmotic pressure is an important issue in cellular signal transductions and cell membrane function.

温度勾配により物質が輸送される現象は熱泳動(thermophoresis)現象と呼ばれ、19世紀の中ごろに発見されて以降、多くの系でその発現が確認されている。一般に、物質の流量は線形非平衡熱力学的考察に基づく現象論的な関係式によって記述されると考えられている。また、熱泳動現象は、従来定常状態における物質濃度の分布の観点から研究されているがその機序は十分に理解されていない。

論文提出者は、この熱泳動現象を単一コロイド分子および単一高分子のレベルで研究すべく、水溶液中で局所温度勾配を作る手法を開発し、様々な物質への適用を通じてメカニズムの解明を目指した研究を行っている。

本論文は全5章からなる。第1章は序論であり、研究の背景、熱泳動の理論的取り扱いの現状、ポリマーの熱泳動について概観した後、本論文の構成をまとめている。

第2章では、局所温度勾配を制御する手法を新たに開発し、単一ビードや蛍光標識された単一DNAの熱泳動現象を測定している。単一ビードの測定結果は、開発した手法が従来の定常状態法よりも熱泳動現象を研究するための有益な手法であることを示している。実際、熱泳動現象を定常状態に達することなく大きな温度勾配の下で測定でき、粒子が温度勾配下でどのように動くかについてより多くの情報が得られる。

一方、単一DNAの測定結果は、DNAの熱泳動現象を単一高分子の形態から初めて直接的に観測したものであり、結合した個々のセグメントの熱泳動として取り扱うべきものであることを明らかにした。また、DNAを楕円形と見立てたとき、その楕円率が異なるDNAは温度勾配中で異なる速さで移動することも見出した。このことは、DNAの形態がその非線形応答に影響を及ぼす新たなパラメータなることを示している。

第3章では温度勾配によって誘起された力を測定するための新しい手法を提案し、単一ビードと単一DNAに働く熱的な力(thermal force)を測定している。測定の結果、温度勾配の増大とともに熱的な力も増大することを見出した。特に、光ピンセットで測定された力を熱泳動中の引張り力と比較することにより、熱泳動現象を熱的な力と関係づけている。実際、熱泳動を伴わない状況で熱的な力が測定されていることは、粒子が移動しない時でさえ、温度勾配に起因する力が確かに存在することを示している。

論文提出者はさらに、温度勾配の制御を単一分子操作の有効な手段として用いることができることを示している。光ピンセットや磁気ピンセットは、それぞれ電場や磁場の強度勾配を利用しているのに対し、剪断流を用いたDNA分子の引き伸ばしは、温度勾配によって誘起された流体の急速な速度勾配を利用している。一連の結果は、温度勾配を微小粒子や単一分子に局所的な力を及ぼすために利用できることを示している。

第4章は本研究の中核と位置づけられるものであり、レーザー光と液晶空間光変調器を組み合わせて溶液の温度分布を制御することにより、コロイド粒子を操作する新しい手法を提示するとともに、この手法を用いることにより、透明な物質にしか適用できないなどの従来のレーザーピンセットの制約を克服できることを示している。

第一光熱捕捉(primary optothermal manipulation)と呼ぶ手法では、捕捉の仕方は操作する物質の性質に依存している。この手法は有益であるが、物質自身の性質を予め十分に調べたり、光学的なセットアップを検討する必要がある。すなわち、個々の単一粒子の性質を十分理解することが洗練された応用を開発する上で重要な課題となる。

一方、第二光熱捕捉(secondary optothermal manipulation)と呼ぶ手法は、少量のポリマーを溶液に加えることによりサブミクロンサイズのビードや固定されていないDNA分子や生物の細胞などを捕捉できる新しい手法であることを示している。この手法を用いて広範なコロイド状物質を捕捉できるので、いろいろな科学分野における様々な応用が期待できる。論文提出者は、この第二光熱捕捉のメカニズムを説明する試みの中でエントロピー効果の寄与の可能性を指摘している。

第二光熱捕捉の手法は、ポリマーの局所的な濃度を変えることにより、浸透圧を制御する手法にもなりうる。光を用いて浸透圧を局所的に制御する技術もまたさまざまな応用に利用できるであろう。

第5章で本研究のまとめを述べると共に、今後の課題を展望している。特に、本研究で開発した技術を分子の分類をしたり、コロイド粒子を集めたりするためのミクロな流体デバイスに統合できる可能性を指摘している。

本研究で得られた一連の成果は、非平衡ソフトマター物理学の新しい知見として高く評価できる。

なお、本論文の主要部分は指導教員との共同研究であるが、実験の遂行とデータの解析のいずれにおいても論文提出者が主体となって行ったもので、論文提出者の寄与が十分であると判断できる。

したがって、審査委員全員一致で博士(理学)の学位を授与できると認める。