Transiciones que ocurren en sistemas a nanoescala, como una reacción química o el plegamiento de una proteína, se ven fuertemente afectados por la fricción y el ruido térmico. Hace casi 80 años, el físico holandés Hendrik Kramers predijo que tales transiciones ocurren con mayor frecuencia en la fricción intermedia, un efecto conocido como rotación de Kramers. Ahora, reportando en Nanotecnología de la naturaleza , un equipo de científicos de la ETH Zurich, El ICFO de Barcelona y la Universidad de Viena han medido este efecto para una partícula atrapada por láser, confirmando directamente la predicción de Kramers en un experimento por primera vez.

En 1827, el botánico inglés Robert Brown hizo una observación de aparentemente poca importancia que acabaría desempeñando un papel central en el desarrollo de la teoría atómica de la materia. Mirando a través del objetivo de un microscopio, notó que los granos de polen que flotaban en el agua se movían 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 la partícula de polen. El análisis teórico de Albert Einstein de 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 la partícula en movimiento. El movimiento browniano resulta del equilibrio de estas fuerzas en competencia.

La fricción y el movimiento térmico causados ​​por el medio ambiente también afectan profundamente las transiciones entre estados de larga duración, por ejemplo, las transiciones de fase como la congelación o la fusión. Los estados longevos, p.ej. diferentes fases de un material o especies químicas distintas, están separados por una barrera 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 dando vueltas en uno de los pozos y rara vez salta de un pozo a otro. Tales transiciones son importantes para muchos procesos en la naturaleza y la tecnología, que van desde las transiciones de fase hasta las reacciones químicas y el plegamiento de proteínas.

La influencia inesperada de la fricción en las transiciones

Con qué frecuencia, luego, ¿Ocurren estos raros eventos de cruce de barreras? 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 con el aumento de la 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 fuerte fricción, el sistema se mueve lentamente, lo que lleva a una pequeña tasa de transición. A medida que disminuye la fricción, el sistema se mueve más libremente y la tasa de transición crece. Con una fricción suficientemente baja, sin embargo, 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 de la tasa de transición a la fricción intermedia se denomina rotación de Kramers.

Midiendo la predicción de Kramers con nanopartículas atrapadas por láser

En un esfuerzo conjunto internacional, científicos de la ETH Zurich, El ICFO de Barcelona y la Universidad de Viena han logrado observar directamente el volumen de negocios de Kramers para una nanopartícula levitada. En su experimento, una nanopartícula se mantiene en una trampa láser con dos pocillos separados por una barrera de energía, como se muestra en la ilustración. Al igual que el grano de polen observado por Brown, la nanopartícula choca constantemente con las moléculas que la rodean y estas interacciones aleatorias ocasionalmente empujan a la nanopartícula sobre la barrera. Al monitorear el movimiento de la nanopartícula a lo largo del tiempo, los científicos determinaron la velocidad a la que la nanopartícula salta entre los pozos para una amplia gama de fricciones, que se puede ajustar con precisión ajustando la presión del gas alrededor de la nanopartícula. La tasa obtenida de su experimento confirma claramente la rotación pronosticada por Kramers hace casi 80 años. "Estos resultados mejoran nuestra comprensión de la fricción y el movimiento térmico a nanoescala y serán útiles en el diseño y la construcción de futuros nanodispositivos". "dice Christoph Dellago, uno de los autores del estudio.