Los investigadores informan que es posible mover una nanopartícula en la superficie de una hoja de grafeno aplicando una diferencia de temperatura en los extremos de la membrana:un nanocluster en la superficie se desplazará de la región caliente a la fría. Además, contrariamente a las leyes físicas a macroescala, la fuerza que actúa sobre la partícula, la llamada fuerza termoforética, no debe disminuir a medida que aumenta la longitud de la hoja, en su lugar luciendo un llamado comportamiento balístico, como una bala en el cañón de una pistola. De hecho, Las simulaciones muestran que las oscilaciones térmicas verticales de la membrana de grafeno fluyen balísticamente de caliente a frío, proporcionar un empujón al objeto.

Para usar otra analogía, estas ondas verticales, conocidos como fonones de flexión, empujar el nanocluster de la misma manera que las olas del océano empujan una tabla de surf a la orilla, no importa qué tan lejos venga la ola. Estas predicciones teóricas podrían ser de gran interés en la manipulación de materiales a nanoescala. La investigación ha sido publicada en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

"Los gradientes de temperatura en un fluido imparten a un cuerpo una fuerza que puede desplazarlo. Tal fenómeno, técnicamente conocido como termoforesis, se conoce desde hace siglos. Más recientemente, Las simulaciones numéricas han indicado que tal cambio espacial inducido por gradientes también funciona para moléculas o pequeños grupos colocados en una membrana sólida bidimensional como el grafeno. Pero nadie intentó comprender la física detrás del proceso. Este fue el objetivo de nuestro estudio, "explican los científicos.

Usando software específico, los investigadores han simulado el comportamiento de un diminuto nanocluster de oro, hecho de unos pocos cientos de átomos, adsorbido en una hoja de grafeno suspendida entre dos extremos con diferentes temperaturas.

"En tal condición, la partícula realmente se mueve del extremo caliente al frío. Asombrosamente, aunque, el empuje que se le imprime solo depende del gradiente térmico y no de la longitud de la hoja, "dicen los investigadores. Por lo tanto, se muestra que la distancia entre los dos extremos de la membrana no tiene influencia sobre la fuerza que actúa sobre el grupo de oro; esta fuerza permanece constante hasta y más allá de una longitud de hoja de 100 nanómetros.

"Hemos llamado a esta peculiar termoforesis balística, para distinguirlo del difusivo, que naturalmente se mantiene en el mundo macroscópico. Usando una simple metáfora, imagina los dos extremos de la hoja de grafeno como la parte superior e inferior de un tobogán en el patio de recreo, y la diferencia de temperatura como la brecha de altura. En el mundo macroscópico que experimentamos en la vida cotidiana, cuanto más cerca estén los extremos de la diapositiva, más rápida será la caída del objeto. En el nanomundo según nuestras simulaciones, esto no es lo que pasa. A esta escala, La fuerza y ​​la velocidad de caída solo dependen del gradiente de temperatura. Pero no en la distancia ... Hemos encontrado que la fuerza que experimenta la partícula se debe a los movimientos térmicos verticales, conocidos como fonones de flexión, que son particularmente anchos y suaves en una membrana de grafeno. El flujo de fonones de flexión fluye de caliente a frío sin perder fuerza y ​​empujando el objeto sobre la superficie, "escriben los científicos.

¿Cómo pueden esas ondas térmicas verticales dar un empujón horizontal al cúmulo de oro? "Nuestro estudio muestra que un mecanismo anarmónico preciso juega un papel crucial en el grafeno y en otras membranas flexibles bidimensionales. Este mecanismo proporciona fonones de flexión con impulso mecánico, que normalmente no tienen. Actuando como si llevaran una masa, los fonones transfieren parte de su impulso a la partícula de oro, inducirlo a moverse ... Es exactamente como un mantel sobre una mesa:una ondulación en el centro (los fonones de flexión), lo que significa una mayor densidad de tela en el centro, fuerza a los extremos a contraerse (los fonones longitudinales, en el caso del grafeno). La partícula depositada solo es sensible a la ondulación, que lo empuja hacia adelante ".

Los autores concluyen, "Cuando comenzó este proyecto, no esperábamos poder observar tal variedad de fenómenos, fue un estudio puramente teórico. Nuestros resultados, aunque, abrir el camino a futuros experimentos, ya que una fuerza mecánica independiente de la distancia bien podría poseer aplicaciones prácticas ".