El movimiento browniano es el movimiento aleatorio de partículas suspendidas en un fluido (un líquido o un gas) resultante de su colisión con los átomos o moléculas rápidas del fluido. Este fenómeno debe su nombre al botánico Robert Brown, que lo observó por primera vez en 1827 mientras estudiaba granos de polen en agua. El movimiento es irregular, imprevisible y consiste en movimientos repentinos y vertiginosos. La explicación teórica del movimiento browniano por Albert Einstein en 1905 aportó pruebas fehacientes de la existencia de átomos y moléculas, contribuyendo a confirmar la teoría atómica de la materia.
Comprender el movimiento browniano es importante en campos como la biología (por ejemplo, el movimiento de partículas dentro de las células), la química (por ejemplo, los sistemas coloidales) y la física (por ejemplo, el estudio de la dinámica de partículas). Desempeña un papel crucial en muchos procesos naturales y tecnológicos, como la difusión en las células, la mezcla de fluidos e incluso algunos modelos financieros.
Mientras que el movimiento browniano describe el movimiento aleatorio de traslación de las partículas, el torque browniano se centra en su movimiento aleatorio de rotación. El movimiento browniano traslacional es bien conocido y ampliamente estudiado, sobre todo en el comportamiento de coloides y macromoléculas. Mientras tanto, la rotación browniana sigue siendo una frontera menos explorada. Este aspecto «oculto» del movimiento browniano plantea importantes retos, ya que la medición de los torques brownianos es mucho más compleja que la de las fuerzas brownianas. En consecuencia, la investigación sobre el movimiento browniano de rotación de microobjetos es relativamente escasa.
El movimiento browniano rotacional tiene efectos interesantes, como suavizar la transición entre los modos síncrono y asíncrono de rotación de las micropartículas. Para validar las observaciones experimentales de la rotación de micropartículas bajo el par browniano, los investigadores suelen emplear simulaciones numéricas de dinámica browniana, que proporcionan un vínculo crucial entre la teoría y la práctica en este campo de estudio emergente.
En un estudio reciente publicado en Scientific Reports [1], investigadores de la Universidad Estatal de Moscú utilizaron pinzas ópticas y campos magnéticos giratorios para estudiar el movimiento de microesferas magnéticas microscópicas. Su objetivo es detectar y medir los escurridizos efectos del movimiento de torsión browniano. Una pinza óptica es un instrumento que utiliza un rayo láser muy concentrado para manipular objetos microscópicos. Funciona según el principio de la presión de radiación, según el cual la luz puede ejercer pequeñas fuerzas sobre pequeñas partículas.
Las principales características de las pinzas ópticas son
- – Función Pueden atrapar y mover partículas pequeñas, cuyo tamaño suele oscilar entre nanómetros y micrómetros.
- – Aplicaciones. Muy utilizadas en biología, física y química para estudiar moléculas individuales, células y partículas coloidales.
- – Mecanismo El rayo láser crea un fuerte gradiente de campo eléctrico que atrae las partículas hacia el punto focal del rayo.
- – Precisión Las pinzas ópticas pueden manipular objetos con una precisión extremadamente alta, a menudo a escala nanométrica.
- – No invasivas Permiten manipular muestras biológicas sin contacto físico directo, lo que reduce el riesgo de daños.
Las pinzas ópticas han revolucionado muchos campos de la investigación científica, permitiendo estudiar las propiedades mecánicas del ADN, medir fuerzas en el interior de células vivas y ensamblar nanoestructuras con un control sin precedentes.
El equipo utilizó rayos láser focalizados para atrapar perlas magnéticas individuales de 3 micrómetros en agua. A continuación, aplicaron campos magnéticos giratorios para hacer girar las microesferas. Los campos magnéticos giratorios interactúan con los momentos magnéticos de las microesferas y las hacen girar. Controlando con precisión la intensidad y la velocidad de rotación del campo magnético, pudieron observar cómo cambiaba el movimiento de las microesferas en diferentes condiciones.
Como se explica en [1], existen dos modos de rotación de micropartículas controlados por la interacción entre pares magnéticos y viscosos En campos magnéticos que giran a bajas frecuencias, las micropartículas giran sincrónicamente con un campo magnético giratorio. Una vez que la frecuencia de rotación del campo magnético supera un valor crítico ωcrit, el movimiento de las micropartículas se vuelve asíncrono (véase la Fig.1)
Lo que descubrieron fue fascinante. A bajas velocidades de rotación, las cuentas giraban en sincronía con el campo magnético. Pero a medida que la velocidad de rotación aumentaba hasta el valor crítico, ocurría algo extraño: el movimiento de las perlas se volvía errático y, en ocasiones, giraban hacia atrás en contra del campo. Este extraño comportamiento se debe a la interacción de dos fuerzas: la fuerza impulsora del campo magnético y las patadas aleatorias del movimiento browniano. Es un poco como intentar gobernar un pequeño barco en aguas agitadas: imagínese intentar remar en una dirección dictada por una brújula (campo magnético), mientras las olas (movimiento browniano) le empujan aleatoriamente. A baja velocidad, es fácil corregir el rumbo. A velocidades elevadas, la influencia de las olas se hace más significativa, empujándole ocasionalmente hacia atrás a pesar de sus esfuerzos.
Dado que el valor de la frecuencia crítica depende de la viscosidad del líquido, la intensidad del campo magnético y la forma de las micropartículas, la respuesta de la frecuencia crítica de rotación a los cambios en las propiedades del líquido permite que una micropartícula sea un minúsculo microsensor fisicoquímico de las propiedades locales de un líquido con un volumen de unos pocos picolitros.
El fascinante comportamiento observado al aumentar la velocidad de rotación es una manifestación de la resonancia estocástica, un fenómeno en el que la adición de ruido a un sistema no lineal puede mejorar la detección de señales débiles:
1. Velocidades de rotación bajas: A estas velocidades, el par magnético domina sobre las fuerzas brownianas. La rotación de la perla es determinista, siguiendo de cerca el campo externo.
2. Velocidades de rotación altas: A medida que aumenta la velocidad, el sistema entra en un régimen en el que las fuerzas magnéticas y brownianas son comparables. Esto conduce a una dinámica estocástica.
Las propiedades estocásticas de la rotación de la micropartícula cerca del punto crítico pueden determinarse a partir de la dependencia de la frecuencia de los espectros de potencia de las señales del fotodiodo cuadrante (QPD) que se muestran a continuación en la Fig. 2. El movimiento asíncrono aparece como un pico en el espectro de potencia de la señal QPD, que se hace más alto y más estrecho con el aumento de la frecuencia de la rotación del campo magnético. Cuando ωH< ωcrit, la rotación de la partícula no es estrictamente uniforme y la posición del pico se desplaza hacia frecuencias más altas a medida que ωH aumenta (véase la Fig. 2(a)). Para ωH> ωcrit, el pico se desplaza hacia la izquierda (véase la Fig. 2(c)).
Analizando cuidadosamente esta transición entre rotación suave y errática, los investigadores pudieron medir la fuerza de las fuerzas brownianas que actúan sobre las partículas. No es tarea fácil: estas fuerzas son increíblemente pequeñas, equivalentes a una millonésima de una milmillonésima de Newton. La capacidad de los investigadores para medir la fuerza de las fuerzas brownianas que actúan sobre las partículas es un logro significativo de la física experimental. En efecto, las fuerzas medidas son increíblemente pequeñas, del orden de femtonewtons (10-15 N). Para ponerlo en perspectiva, equivale aproximadamente al peso de una sola partícula de virus. Medir fuerzas tan diminutas requiere un equipo exquisitamente sensible y sofisticadas técnicas de análisis de datos.
La configuración experimental avanzada para estudiar el movimiento browniano ofrece una alta resolución temporal, ya que la técnica permite observar los efectos brownianos en tiempo real, y mediciones en 3D; a diferencia de algunos métodos existentes, este enfoque puede sondear el movimiento browniano en las tres dimensiones espaciales.
El estudio también demostró algunas aplicaciones ingeniosas. Midiendo cómo cambiaba la rotación de las partículas en distintas condiciones, el equipo demostró que podía detectar cambios minúsculos en la temperatura y la viscosidad del fluido circundante. Los pequeños cambios de temperatura afectan a la intensidad del movimiento browniano. Controlando la rotación de las partículas, los investigadores pueden detectar fluctuaciones de temperatura con gran precisión, potencialmente del orden de milikelvins o mejor. El comportamiento rotacional de las partículas también es sensible a la viscosidad del fluido. Esto podría permitir controlar en tiempo real los cambios de viscosidad en sistemas microfluídicos o muestras biológicas. Todo esto podría dar lugar a nuevos tipos de microsensores ultrasensibles, que podrían aplicarse en campos como 1) el diagnóstico biomédico (estos microsensores podrían detectar cambios sutiles en fluidos corporales, indicando potencialmente estados de enfermedad o respuestas a fármacos), 2) la vigilancia medioambiental (detección ultrasensible de contaminantes o agentes contaminantes en muestras de agua o aire) y 3) la ciencia de materiales (estudio de las propiedades de fluidos complejos, polímeros y nanomateriales).
«Esencialmente, observamos cómo la energía térmica de las moléculas individuales mueve estas nanopartículas», explica la Dra. Petrova. «Es como seguir el movimiento de un corcho en el océano durante una tormenta, pero a una escala mil millones de veces menor».
Los autores de este estudio señalan que sus modelos teóricos no coinciden perfectamente con los resultados experimentales, lo que apunta a una física aún más compleja. Los retos teóricos de este trabajo incluyen la necesidad de refinar los modelos, ya que la discrepancia entre las predicciones teóricas y los resultados experimentales pone de relieve la necesidad de modelos más sofisticados de sistemas estocásticos alejados del equilibrio. Esto incluye también la modelización multiescala, ya que salvar la distancia entre los efectos de la mecánica cuántica y el movimiento browniano clásico sigue siendo un reto importante en la física teórica. Además, pueden ser necesarias técnicas avanzadas de simulación para captar plenamente la compleja dinámica observada en estos experimentos.
Esta investigación representa un importante paso adelante en nuestra capacidad para sondear y comprender el mundo microscópico. Al tender un puente entre los modelos teóricos del movimiento browniano y las observaciones experimentales, abre nuevas vías tanto para la investigación fundamental como para las aplicaciones prácticas en una amplia gama de disciplinas científicas.
Ciencia Unificada en Perspectiva:
Comprender el movimiento browniano es crucial para muchas áreas de la ciencia y la tecnología. Interviene en todo tipo de fenómenos, desde la difusión de moléculas en las células hasta el comportamiento de los dispositivos nanotecnológicos. Esta investigación proporciona una nueva herramienta para sondear estos efectos a microescala. El estudio del movimiento browniano es importante en diversos campos, como:
a) Biología celular: El movimiento browniano impulsa la difusión de moléculas dentro de las células, influyendo en procesos como la cinética enzimática y la transducción de señales.
b) Ciencia coloidal: Afecta a la estabilidad y el comportamiento de suspensiones, emulsiones y otros fluidos complejos.
c) Nanotecnología: A medida que los dispositivos se reducen a nanoescala, los efectos brownianos adquieren mayor importancia, lo que repercute en su rendimiento y fiabilidad.
Esta investigación no sólo aporta conocimientos sobre la física fundamental de los sistemas accionados por ruido, sino que también tiene aplicaciones potenciales en el desarrollo de dispositivos a micro y nanoescala que puedan funcionar con fiabilidad en entornos ruidosos, como dentro de células vivas o en sistemas microfluídicos.
En cuanto a la física fundamental, este trabajo profundiza nuestra comprensión sobre:
a) Termodinámica de no equilibrio: Este trabajo aporta conocimientos sobre sistemas alejados del equilibrio, un área de frontera en la física estadística.
b) Teoremas de fluctuación: los resultados podrían ayudar a probar y perfeccionar modelos teóricos que describen la disipación de energía en sistemas microscópicos.
c) Determinismo frente a estocasticidad: Este trabajo pone de relieve el delicado equilibrio entre el comportamiento predecible y determinista y las fluctuaciones aleatorias de la naturaleza.
d) Emergencia: Proporciona un ejemplo concreto de cómo pueden surgir comportamientos complejos y aparentemente impredecibles a partir de reglas subyacentes sencillas.
e) Escala y leyes físicas: La investigación subraya cómo diferentes principios físicos dominan a diferentes escalas, característica que está profundamente relacionada con la investigación que realizamos en ISF para la unificación de escalas [2].
Referencias:
[1] Romodina, M., Lyubin, E. & Fedyanin, A. Detection of Brownian Torque in a Magnetically-Driven Rotating Microsystem. Sci Rep 6, 21212 (2016). https://doi.org/10.1038/srep21212
[2] Nassim Haramein, & Olivier Alirol. (2020). Scale invariant unification of forces, fields and particles in a Quantum Vacuum plasma. https://doi.org/10.5281/zenodo.4050623
