Eksperimenter med leviterede nanopartikler afslører rollen af ​​friktion på nanoskala

Overgange i nanoskala systemer, såsom en kemisk reaktion eller foldning af et protein, er stærkt påvirket af friktion og termisk støj. For næsten 80 år siden, den hollandske fysiker Hendrik Kramers forudsagde, at sådanne overgange forekommer hyppigst ved mellemliggende friktion, en effekt kendt som Kramers omsætning. Nu, melder ind Natur nanoteknologi , et team af forskere fra ETH Zürich, ICFO i Barcelona og universitetet i Wien har målt denne effekt for en laser-fanget partikel, direkte bekræfter Kramers' forudsigelse i et eksperiment for første gang.

I 1827, den engelske botaniker Robert Brown gjorde en observation af tilsyneladende ringe betydning, der ville vise sig at spille en central rolle i udviklingen af ​​atomteorien om stof. Ser man gennem objektivet til et mikroskop, han lagde mærke til, at pollenkorn, der flyder i vand, konstant jiggede rundt som om de blev drevet af en usynlig kraft, et fænomen nu kendt som Brownsk bevægelse. Det blev senere forstået, at den uregelmæssige bevægelse af pollenpartiklen er forårsaget af den uophørlige buffering af vandmolekylerne, der omgiver pollenpartiklen. Albert Einsteins teoretiske analyse af dette fænomen gav afgørende beviser for eksistensen af ​​atomer. Pollenkornets kollisioner med vandmolekylerne har to vigtige virkninger på kornets bevægelse. På den ene side, de genererer friktion, der bremser partiklen, og på samme tid, deres termiske omrøring holder partiklen i bevægelse. Brownsk bevægelse skyldes balancen mellem disse konkurrerende kræfter.

Friktion og termisk bevægelse forårsaget af miljøet påvirker også dybt overgange mellem langlivede tilstande, f.eks. Faseovergange såsom frysning eller smeltning. De langlivede stater, f.eks. forskellige faser af et materiale eller forskellige kemiske arter er adskilt af en højenergibarriere som vist skematisk i illustrationen. Barrieren mellem brøndene forhindrer det fysiske system i hurtigt at konvertere mellem de to stater. Som en konsekvens, systemet bruger det meste af sin tid på at rasle rundt i en af ​​brøndene og springer kun sjældent fra den ene brønd til den anden. Sådanne overgange er vigtige for mange processer inden for natur og teknologi, lige fra faseovergange til kemiske reaktioner og foldning af proteiner.

Friktions uventede indflydelse på overgange

Hvor ofte, derefter, forekommer sådanne sjældne barriereovergangshændelser? Dette er det spørgsmål, som den hollandske fysiker Hendrik Kramers teoretisk stillede tilbage i 1940. Ved hjælp af et simpelt modelsystem, han viste matematisk, at den hastighed, hvormed overgange sker hurtigt aftager med voksende barrierehøjde. Mere overraskende, Kramers forudsagde, at overgangshastigheden også afhænger af friktionen på en meget interessant måde. For stærk friktion, systemet bevæger sig langsomt, hvilket fører til en lille overgangshastighed. Når friktionen reduceres, systemet bevæger sig mere frit, og overgangshastigheden vokser. Ved tilstrækkelig lav friktion, imidlertid, overgangshastigheden begynder at falde igen, fordi det i dette tilfælde tager lang tid for systemet at hente tilstrækkelig energi fra omgivelserne til at overvinde barrieren. Det resulterende maksimum for overgangshastigheden ved mellemfriktion kaldes Kramers -omsætningen.

Måling af Kramers' forudsigelse med laserfangede nanopartikler

I en international fælles indsats, forskere fra ETH Zürich, Det er nu lykkedes ICFO i Barcelona og Wien -universitetet direkte at observere Kramers -omsætningen for en leviteret nanopartikel. I deres eksperiment, en nanopartikel holdes i en laserfælde med to brønde adskilt af en energibarriere som vist på illustrationen. Ligesom pollenkorn observeret af Brown, nanopartiklen kolliderer konstant med molekylerne omkring den, og disse tilfældige interaktioner skubber lejlighedsvis nanopartiklen over barrieren. Ved at overvåge nanopartiklens bevægelse over tid, forskerne bestemte den hastighed, hvormed nanopartiklen hopper mellem brøndene for en lang række friktioner, som kan indstilles præcist ved at justere trykket af gassen omkring nanopartiklen. Hastigheden opnået fra deres eksperiment bekræfter klart den omsætning, som Kramers forudsagde for næsten 80 år siden. "Disse resultater forbedrer vores forståelse af friktion og termisk bevægelse på nanoskalaen og vil være nyttige i design og konstruktion af fremtidige nanodeapparater, "siger Christoph Dellago, en af ​​forfatterne til undersøgelsen.