Transições ocorrendo em sistemas em nanoescala, como uma reação química ou o dobramento de uma proteína, são fortemente afetados por atrito e ruído térmico. Quase 80 anos atrás, o físico holandês Hendrik Kramers previu que tais transições ocorrem com mais frequência no atrito intermediário, um efeito conhecido como turnover de Kramer. Agora, reportando Nature Nanotechnology , uma equipe de cientistas do ETH Zurique, ICFO em Barcelona e a Universidade de Viena mediram este efeito para uma partícula aprisionada a laser, confirmando diretamente a previsão de Kramers em um experimento pela primeira vez.

Em 1827, o botânico inglês Robert Brown fez uma observação de aparentemente pouca importância que acabaria por desempenhar um papel central no desenvolvimento da teoria atômica da matéria. Olhando através da objetiva de um microscópio, ele notou que os grãos de pólen flutuando na água estavam constantemente balançando ao redor como se fossem movidos por uma força invisível, um fenômeno agora conhecido como movimento browniano. Posteriormente, foi entendido que o movimento irregular da partícula de pólen é causado pela batida incessante das moléculas de água que cercam a partícula de pólen. A análise teórica de Albert Einstein desse fenômeno forneceu evidências cruciais para a existência de átomos. As colisões do grão de pólen com as moléculas de água têm dois efeitos importantes no movimento do grão. Por um lado, eles geram atrito que retarda a partícula e, ao mesmo tempo, sua agitação térmica mantém a partícula em movimento. O movimento browniano resulta do equilíbrio dessas forças concorrentes.

O atrito e o movimento térmico causados ​​pelo ambiente também afetam profundamente as transições entre estados de longa duração, por exemplo, transições de fase, como congelamento ou derretimento. Os estados de vida longa, por exemplo. diferentes fases de um material ou espécie química distinta, são separados por uma barreira de alta energia, conforme representado esquematicamente na ilustração. A barreira entre os poços impede o sistema físico de se interconverter rapidamente entre os dois estados. Como consequência, o sistema passa a maior parte do tempo sacudindo em um dos poços e apenas raramente salta de um poço para o outro. Essas transições são importantes para muitos processos na natureza e na tecnologia, variando de transições de fase a reações químicas e o enovelamento de proteínas.

Influência inesperada do atrito nas transições

Com que frequência, então, tais eventos raros de cruzamento de barreira ocorrem? Esta é a questão que o físico holandês Hendrik Kramers abordou teoricamente em 1940. Usando um sistema de modelo simples, ele mostrou matematicamente que a taxa na qual as transições ocorrem diminui rapidamente com o aumento da altura da barreira. Mais surpreendentemente, Kramers previu que a taxa de transição também depende do atrito de uma forma muito interessante. Para forte atrito, o sistema se move lentamente, levando a uma pequena taxa de transição. À medida que o atrito diminui, o sistema se move mais livremente e a taxa de transição aumenta. Com atrito suficientemente baixo, Contudo, a taxa de transição começa a diminuir novamente porque, neste caso, leva muito tempo para o sistema adquirir energia suficiente do ambiente para superar a barreira. O máximo resultante da taxa de transição no atrito intermediário é chamado de turnover de Kramers.

Medindo a previsão de Kramers com nanopartículas aprisionadas a laser

Em um esforço conjunto internacional, cientistas da ETH Zurique, O ICFO em Barcelona e a Universidade de Viena conseguiram agora observar diretamente o turnover de Kramers para uma nanopartícula levitada. Em seu experimento, uma nanopartícula é mantida em uma armadilha de laser com dois poços separados por uma barreira de energia, conforme mostrado na ilustração. Assim como o grão de pólen observado por Brown, a nanopartícula colide constantemente com as moléculas ao seu redor e essas interações aleatórias ocasionalmente empurram a nanopartícula sobre a barreira. Ao monitorar o movimento da nanopartícula ao longo do tempo, os cientistas determinaram a taxa na qual a nanopartícula salta entre os poços para uma ampla gama de fricções, que pode ser ajustado com precisão ajustando a pressão do gás em torno da nanopartícula. A taxa obtida em seu experimento confirma claramente a rotatividade prevista por Kramers quase 80 anos atrás. "Esses resultados melhoram nossa compreensão do atrito e do movimento térmico em nanoescala e serão úteis no projeto e construção de futuros nanodispositivos, "diz Christoph Dellago, um dos autores do estudo.