Un modelo de sistema microscópico para demostrar la transmisión de par en presencia de fluctuaciones térmicas, necesario para la creación de un pequeño 'embrague' que opera a nanoescala, se ha ensamblado en la Universidad de Bristol como parte de una colaboración internacional.

Al conducir un automóvil, el embrague transporta mecánicamente el par producido por el motor al chasis del vehículo, un acoplamiento que se ha probado y optimizado durante mucho tiempo en tales máquinas macroscópicas, dándonos motores de alta eficiencia. Para máquinas microscópicas, sin embargo, Desarrollar un embrague que opere a nanoescala es mucho más desafiante porque, a escalas microscópicas de longitud, deben tenerse en cuenta distintas físicas. Las fluctuaciones térmicas juegan un papel cada vez más dominante a medida que se miniaturiza un dispositivo, conduciendo a una mayor disipación de energía y la necesidad de desarrollar nuevos principios de diseño.

En el modelo de sistema microscópico desarrollado por científicos de Bristol, Düsseldorf, Maguncia, Princeton y Santa Bárbara, un anillo de partículas coloidales se localiza en pinzas ópticas y se traduce automáticamente en una trayectoria circular, transferir un movimiento de rotación a un conjunto de coloides idénticos confinados a la región interior.

El Dr. Paddy Royall, de la Universidad de Bristol, dijo:"Este dispositivo se parece mucho a una lavadora, pero las dimensiones son diminutas. Mediante manipulación óptica, el anillo de partículas se puede apretar a voluntad, alterando el acoplamiento entre las partes impulsadas y cargadas del conjunto y proporcionando un modo de operación similar a un embrague ".

Las suspensiones coloidales entran en la categoría de materiales conocidos como 'materia blanda', y se muestra que la suavidad del dispositivo rotatorio conduce a nuevos fenómenos de transmisión no observados en máquinas macroscópicas. "Aprovechar la suavidad de los nanomateriales nos brinda mecanismos de control adicionales y sin precedentes que pueden emplearse al diseñar máquinas microscópicas, "Explicó el Dr. Royall.

Además de los experimentos realizados en la Universidad de Bristol, Los físicos de la Universidad de Düsseldorf han desarrollado modelos de simulación por ordenador para investigar más a fondo el acoplamiento de par a nanoescala. Esto permite la medición de la eficiencia de la nanomáquina, que es pequeño pero se puede optimizar mediante un control cuidadoso de los parámetros del sistema.

Los investigadores han identificado tres regímenes de transmisión diferentes:un escenario de tipo sólido que transmite un par de torsión muy parecido a un engranaje macroscópico; un escenario similar a un líquido en el que gran parte de la entrada de energía se pierde debido a la fricción y un escenario de deslizamiento intermedio exclusivo de los materiales blandos que combina aspectos de los comportamientos de tipo sólido y líquido.

"Un conocimiento básico del proceso de acoplamiento nos dará una idea de la construcción de nanomáquinas, en el que la transferencia de par es absolutamente esencial, ", dijo el profesor Hartmut Loewen de la Universidad de Düsseldorf.

El estudio se publica en Física de la naturaleza .