Física - Nuevo giro en el movimiento browniano visto por primera vez

Nuevo giro en el movimiento browniano visto por primera vez

Un aspecto importante del movimiento browniano, predicho hace varias décadas, se ha observado por primera vez por investigadores en Europa. El equipo ha medido cómo esferas de tamaño micrométrico interactúan con un fluido que las rodea y han demostrado que las esferas “recuerdan” su movimiento anterior. Su técnica experimental, según afirman los investigadores, podría utilizarse como sensor biofísico.

Explicado por Albert Einstein en 1905, el movimiento browniano describe el movimiento errático de una diminuta partícula en un fluido. Está provocado por los numerosos pequeños “golpes” que recibe la partícula como resultado de la agitación térmica del fluido. Al principio, Einstein y otros físicos creyeron que estos golpes eran independientes del movimiento de la partícula y se caracterizó como ruido blanco.

Partícula atrapada por el láser

Recordando el movimiento

En la segunda mitad del siglo XX, sin embargo, los físicos empezaron a darse cuenta de que cuando las densidades de la partícula y el fluido son similares, los golpes no son completamente aleatorios. En lugar de esto, se predicen “correlaciones persistentes” entre los movimientos del fluido y la partícula. Estos surgen debido a que las partículas que se mueven a través de un fluido harán que el fluido a su alrededor se mueva, lo que a su vez afectará al movimiento de la partícula, y así sucesivamente. Por ejemplo, una persona nadando a una velocidad constante, arrastrará un poco de agua a su alrededor. Pero si deja de nadar de repente, sentirá un empuje hacia adelante procedente del agua en movimiento. Los investigadores se refieren a esto como “memoria hidrodinámica”, pero su observación sigue siendo difícil para las pequeñas partículas aisladas que sufren un movimiento browniano.

Ahora, Sylvia Jeney de la EPFL en Suiza y sus colegas de Suiza y Alemania afirman haber visto una clara prueba de este efecto en el movimiento browniano de partículas. Sus medidas se basan en la idea de que esta “memoria” hidrodinámica da lugar a que todo el espectro de energía de la partícula se describa como “ruido coloreado”, en lugar de ruido blanco.

En el contexto del movimiento browniano, el ruido blanco significa que la partícula fluctúa con la misma magnitud (o potencia), independientemente de la frecuencia de la fluctuación. Los experimentos de Jeney, sin embargo, muestran que las frecuencias más altas, en realidad, tienen una mayor magnitud de fluctuación – lo que significa que el ruido ya no es blanco, sino coloreado.

Trampa especializada

El grupo de Jeney hizo la medida atrapando una esfera de melanina de un micrómetro de tamaño con unas pinzas ópticas creadas con un rayo láser estrechamente focalizado. Aunque es similar a una configuración comercial ya usada por biofísicos, los investigadores pasaron varios años optimizando su aparato. En particular, mejoraron la resolución temporal del sistema en un factor de 1000 y aumentaron su resolución espacial, de forma que pueda medir distancias de menos de un nanómetro.

Los experimentos incluyeron partículas individuales atrapadas por las pinzas y sumergidas en un líquido. Los parámetros del experimento se eligieron para que el tiempo que tarda el líquido en difundirse sobre el diámetro de la partícula sea aproximadamente una sexta parte del tiempo que tarda la esfera en alcanzar su posición de equilibrio en las pinzas. Este tiempo de difusión es la escala de tiempo en la que se espera que se produzca la memoria hidrodinámica y, por lo tanto, la configuración permite a los investigadores estudiar el comportamiento correlacionado.

“Actualmente, hay dos, tal vez tres laboratorios en el mundo con unas configuraciones de una precisión tan alta”, explica Jeney. Dice que el equipo quiere establecer la técnica de atrapamiento óptico como una herramienta biofísica avanzada.

Fuente: Ciencia Kanija - physicsworld.com