Heat Transport in Photothermal Microscopy: Newton vs Fourier
Heat Transport in Photothermal Microscopy: Newton vs Fourier
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光热显微镜中的热传输：牛顿与傅立叶
DOI：
10.1021/acs.jpcc.3c07022
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发表时间：
2024
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Narayan, Onuttom
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Samolis, Panagis;Hong, Mi K.;Rajagopal, R.;Sander, Michelle Y.;Erramilli, Shyamsunder;Narayan, Onuttom
光热显微镜的技术突破导致了细胞水平热传输的新发现。在线性状态下，热传输由众所周知的抛物型偏微分热方程及其许多扩展所控制，其前身可以追溯到傅立叶。在一维均匀介质中，点脉冲热源的温度弛豫是无标度的，并渐近地遵循幂律衰减。因此，有趣的是，最近的许多实验都使用了牛顿冷却定律，这是一个常微分方程，它产生指数衰减，只有一个时间常数。我们发现，在光热显微镜观察到的表观指数衰减设置的外部性，如样品池的设计，实验有限的激发脉冲宽度，和空间分辨率，仍然应该包含一个幂律前因子。结合分析方法，包括精确的结果和渐近分析与实验和数值模拟，我们表明，牛顿冷却定律的出现的条件往往不满足实验。这些需要重新解释，以符合基本的傅立叶理论在微观亚细胞的长度尺度，考虑到界面的热导率或等效的反向Kapitza电阻接口。
Technological breakthroughs in photothermal microscopy have led to new discoveries in thermal transport at the cellular level. In the linear regime, heat transport is governed by the well-understood parabolic partial differential heat equation and its many extensions, with antecedents dating back to Fourier. The relaxation of the temperature from a point impulsive source of heat in a homogeneous medium inddimensions is scale free and asymptotically follows a power law decay in time ∼t–d/2. It is therefore interesting that many recent experiments have used Newton’s law of cooling, an ordinary differential equation that yields exponential decays with a single time constant. We show that the observed apparent exponential decays in photothermal microscopy are set by externalities such as the sample cell design, experimental finite excitation pulse width, and spatial resolution and should still contain a power law prefactor. Combining analytical methods that include exact results and asymptotic analysis with experiments and numerical simulations, we show that the conditions for the emergence of Newton’s law of cooling are often not satisfied in experiments. These need to be reinterpreted to be consistent with the underlying Fourier theory at the microscopic subcellular length scales, taking into consideration the interfacial thermal conductance or equivalently the inverse Kapitza resistance at interfaces.
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