Las transiciones que ocurren en los nanosistemas, como una reacción química o el plegado de una proteína, se ven muy afectadas por la fricción y el ruido térmico. Hace casi 80 años, el físico Hendrik Kramers predijo que estas transiciones son más frecuentes en un nivel de fricción intermedia, un efecto conocido como rotación de Kramers. Ahora científicos del ICFO y otros centros europeos han medido este efecto en una partícula atrapada con láser, confirmando por primera vez de forma experimental la predicción de Kramers.
En un estudio publicado recientemente en Nature Nanotechnology, investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO, en Barcelona), de la escuela politécnica ETH Zurich (Suiza) y de la Universidad de Viena han atrapado con láser una partícula para medir y confirmar experimentalmente una predicción sobre nanotransiciones formulada por el físico holandés Hendrik en 1940.
Aunque esta historia comienza bastante antes. En 1827, el botánico inglés Robert Brown hizo una observación aparentemente de poca importancia en su momento, pero que luego llegaría a desempeñar un papel central en el desarrollo de la teoría atómica de la materia. Al mirar a través de su microscopio, notó que los granos de polen que flotaban en el agua se sacudían constantemente, como impulsados por una fuerza invisible, un fenómeno ahora conocido como movimiento browniano.
Más tarde se entendió que el movimiento irregular de la partícula de polen es causado por el incesante golpeteo de las moléculas de agua que rodean a la partícula de polen. El análisis teórico de Albert Einstein de este fenómeno proporcionó evidencia crucial para la existencia de átomos.
Las colisiones entre el grano de polen y las moléculas de agua tienen dos efectos importantes en el movimiento del grano. Por un lado, generan fricción que ralentiza la partícula y, por otro lado, su agitación térmica mantiene a la partícula en movimiento. El movimiento browniano es el resultado del equilibrio de estas fuerzas competidoras.
La fricción y el movimiento térmico provocados por el entorno también afectan considerablemente las transiciones entre los estados de larga duración, por ejemplo, las transiciones de fase como la congelación o la fusión. Los estados de larga duración, por ejemplo, diferentes fases de un material o diferentes especies químicas, se encuentran separados por una barrera de alta energía en forma de colina.
La barrera que hay entre los valles, o pozos, evita que el sistema físico salte constante y rápidamente entre los dos estados. Como consecuencia, el sistema pasa la mayor parte de su tiempo revoloteando en uno de los pozos y rara vez salta de un pozo al otro. Estas transiciones son importantes para muchos procesos en la naturaleza y la tecnología, que van desde transiciones de fase hasta reacciones químicas y el plegado de proteínas.
Influencia inesperada de la fricción en las transiciones
¿Con qué frecuencia, entonces, ocurren estos raros eventos de saltos entre pozos? Esta es la pregunta que el físico holandés Hendrik Kramers postulo a nivel teórico en 1940. Utilizando un sistema de un modelo simple, demostró matemáticamente que la velocidad a la que ocurren las transiciones disminuye rápidamente con el aumento de la altura de la barrera.
Y lo que es más sorprendente, Kramers predijo que el ritmo de transición también depende de la fricción de una manera muy interesante. Para una fricción fuerte, el sistema se mueve más lento, lo que lleva a un ritmo de transición pequeño. A medida que la fricción disminuye, el sistema se mueve más libremente y el ritmo de transición aumenta.
Sin embargo, para una fricción suficientemente baja, la velocidad de transición comienza a disminuir nuevamente porque en este caso el sistema tarda mucho tiempo en adquirir suficiente energía del entorno para superar la barrera. El máximo resultante del ritmo de transición en la fricción intermedia se denomina rotación de Kramers.
Confirmar la predicción de Kramers
Ahora, como parte de una colaboración internacional, los científicos del ETH Zurich, el ICFO y la Universidad de Viena han logrado observar directamente la rotación de Kramers para una nanopartícula en levitación. En su experimento y utilizando una trampa láser, lograron mantener una nanopartícula entre dos pozos, separados por una barrera de energía.
Al igual que el grano de polen observado por Brown, la nanopartícula colisiona constantemente con las moléculas que la rodean y estas interacciones aleatorias ocasionalmente empujan la nanopartícula sobre la barrera.
Al monitorear el movimiento de la nanopartícula a lo largo del tiempo, los científicos determinaron la velocidad a la cual la nanopartícula salta entre los pozos para una amplia gama de fricciones, valores que pueden ajustarse con precisión ajustando la presión del gas alrededor de la nanopartícula. El ritmo de transición que han obtenido de su experimento confirma la predicción hecha por Kramers hace casi 80 años.
"Estos resultados mejoran nuestra comprensión de la fricción y el movimiento térmico a escala nanométrica y serán útiles en el diseño y la construcción de los futuros nanodispositivos ", comenta Christoph Dellago, uno de los autores del estudio.
Referencia bibliográfica:
Loïc Rondin, Jan Gieseler, Francesco Ricci, Romain Quidant, Christoph Dellago & Lukas Novotny. “Direct measurement of Kramers turnover with a levitated nanoparticle”. Nature Nanotechnology, 23 de octubre de 2017.
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