Transizioni che si verificano in sistemi su scala nanometrica, come una reazione chimica o il ripiegamento di una proteina, sono fortemente influenzati dall'attrito e dal rumore termico. Quasi 80 anni fa, il fisico olandese Hendrik Kramers ha predetto che tali transizioni si verificano più frequentemente ad attrito intermedio, un effetto noto come fatturato Kramers. Ora, informare Nanotecnologia della natura , un team di scienziati del Politecnico di Zurigo, L'ICFO di Barcellona e l'Università di Vienna hanno misurato questo effetto per una particella intrappolata al laser, confermando direttamente la previsione di Kramers in un esperimento per la prima volta.

Nel 1827, il botanico inglese Robert Brown fece un'osservazione apparentemente di scarsa importanza che si sarebbe rivelata avere un ruolo centrale nello sviluppo della teoria atomica della materia. Guardando attraverso l'obiettivo di un microscopio, notò che i granelli di polline che galleggiavano nell'acqua si muovevano costantemente come spinti da una forza invisibile, un fenomeno ora noto come moto browniano. In seguito si comprese che il movimento irregolare della particella pollinica è causato dall'incessante scuotimento delle molecole d'acqua che circondano la particella pollinica. L'analisi teorica di Albert Einstein di questo fenomeno ha fornito prove cruciali dell'esistenza degli atomi. Le collisioni del granello di polline con le molecole d'acqua hanno due importanti effetti sul moto del granello. Da una parte, generano attrito che rallenta la particella e, allo stesso tempo, la loro agitazione termica mantiene la particella in movimento. Il moto browniano risulta dall'equilibrio di queste forze in competizione.

L'attrito e il movimento termico causati dall'ambiente influenzano profondamente anche le transizioni tra stati di lunga durata, ad esempio le transizioni di fase come il congelamento o la fusione. Gli stati longevi, per esempio. diverse fasi di un materiale o specie chimiche distinte, sono separati da una barriera ad alta energia come illustrato schematicamente nell'illustrazione. La barriera tra i pozzi impedisce al sistema fisico di interconvertire rapidamente tra i due stati. Come conseguenza, il sistema passa la maggior parte del suo tempo sferragliando in uno dei pozzi e solo raramente salta da un pozzo all'altro. Tali transizioni sono importanti per molti processi in natura e tecnologia, che vanno dalle transizioni di fase alle reazioni chimiche e al ripiegamento delle proteine.

L'inaspettata influenza dell'attrito sulle transizioni

Quante volte, poi, si verificano tali rari eventi di attraversamento della barriera? Questa è la domanda che il fisico olandese Hendrik Kramers ha affrontato teoricamente nel 1940. Utilizzando un semplice sistema modello, mostrò matematicamente che la velocità con cui si verificano le transizioni diminuisce rapidamente con l'aumentare dell'altezza della barriera. Più sorprendentemente, Kramers ha predetto che la velocità di transizione dipende anche dall'attrito in un modo molto interessante. Per forte attrito, il sistema si muove lentamente portando a un piccolo tasso di transizione. Al diminuire dell'attrito, il sistema si muove più liberamente e il tasso di transizione cresce. Ad attrito sufficientemente basso, però, la velocità di transizione ricomincia a diminuire perché in questo caso impiega molto tempo perché il sistema acquisisca dall'ambiente energia sufficiente per superare la barriera. Il massimo risultante della velocità di transizione ad attrito intermedio è chiamato turnover di Kramers.

Misurare la previsione di Kramers con nanoparticelle intrappolate al laser

In uno sforzo congiunto internazionale, scienziati del Politecnico di Zurigo, L'ICFO di Barcellona e l'Università di Vienna sono ora riusciti a osservare direttamente il fatturato di Kramers per una nanoparticella levitata. Nel loro esperimento, una nanoparticella è contenuta in una trappola laser con due pozzetti separati da una barriera energetica come mostrato nell'illustrazione. Proprio come il granello di polline osservato da Brown, la nanoparticella si scontra costantemente con le molecole che la circondano e queste interazioni casuali occasionalmente spingono la nanoparticella oltre la barriera. Monitorando il movimento della nanoparticella nel tempo, gli scienziati hanno determinato la velocità con cui la nanoparticella salta tra i pozzi per un'ampia gamma di attriti, che può essere accuratamente sintonizzato regolando la pressione del gas attorno alla nanoparticella. Il tasso ottenuto dal loro esperimento conferma chiaramente il fatturato previsto da Kramers quasi 80 anni fa. "Questi risultati migliorano la nostra comprensione dell'attrito e del movimento termico su scala nanometrica e saranno utili nella progettazione e costruzione di futuri nanodispositivi, "dice Christoph Dellago, uno degli autori dello studio.