En 1827, el botánico inglés Robert Brown hizo una observación de aparentemente poca importancia que jugaría un papel central en el desarrollo de la teoría atómica de la materia. Al mirar a través del objetivo de un microscopio, notó que los granos de polen flotabanen el agua se movía constantemente como si fuera impulsado 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 la partícula de polen. AlbertEl análisis teórico de Einstein sobre este fenómeno proporcionó evidencia crucial de la existencia de átomos. Las colisiones del grano de polen con las moléculas de agua tienen dos efectos importantes sobre el movimiento del grano. Por un lado, generan fricción que ralentiza la partícula y,Al mismo tiempo, su agitación térmica mantiene el movimiento de la partícula. El movimiento browniano resulta del equilibrio de estas fuerzas competidoras.
La fricción y el movimiento térmico causados por el medio ambiente también afectan profundamente las transiciones entre estados de larga duración, por ejemplo, transiciones de fase como congelación o fusión. Los estados de larga duración, por ejemplo, diferentes fases de un material o especies químicas distintas, están separadas por unbarrera de alta energía como se muestra esquemáticamente en la ilustración. La barrera entre los pozos evita que el sistema físico se interconvierta rápidamente entre los dos estados. Como consecuencia, el sistema pasa la mayor parte del tiempo revoloteando en uno de los pozos y rara vez salta deuno bien al otro. Tales transiciones son importantes para muchos procesos en la naturaleza y la tecnología, que van desde transiciones de fase a reacciones químicas y el plegamiento de proteínas.
influencia inesperada de la fricción en las transiciones
¿Con qué frecuencia, entonces, ocurren eventos de cruce de barrera tan raros? Esta es la pregunta que el físico holandés Hendrik Kramers abordó teóricamente en 1940. Usando un sistema de modelo simple, demostró matemáticamente que la velocidad a la que ocurren las transiciones disminuye rápidamente concreciente altura de la barrera. Más sorprendentemente, Kramers predijo que la tasa de transición también depende de la fricción de una manera muy interesante. Para una fricción fuerte, el sistema se mueve lentamente y conduce a una pequeña tasa de transición. A medida que disminuye la fricción, el sistema se mueve más librementey la tasa de transición crece. Sin embargo, a una fricción suficientemente baja, la tasa de transición comienza a disminuir nuevamente porque en este caso el sistema tarda mucho tiempo en adquirir suficiente energía del ambiente para superar la barrera. El máximo resultante de la transiciónLa tasa de fricción intermedia se denomina rotación de Kramers.
Medición de la predicción de Kramers con nanopartículas atrapadas con láser
En un esfuerzo internacional conjunto, los científicos del ETH Zurich, ICFO en Barcelona y la Universidad de Viena ahora han logrado observar directamente la rotación de Kramers para una nanopartícula levitada. En su experimento, una nanopartícula se mantiene en una trampa láser con dospozos separados por una barrera de energía como se muestra en la ilustración. 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 nanopartículaCon el tiempo, los científicos determinaron la velocidad a la que la nanopartícula salta entre los pozos para una amplia gama de fricciones, que pueden ajustarse con precisión ajustando la presión del gas alrededor de la nanopartícula. La velocidad obtenida de su experimento confirma claramente la rotación predicha porKramers hace casi 80 años ". Estos resultados mejoran nuestra comprensión de la fricción y el movimiento térmico en el nanoscale y será útil en el diseño y construcción de futuros nanodispositivos ", dice Christoph Dellago, uno de los autores del estudio.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Viena . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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