Evelyn C. Ayala17/mayo/2024
Comprender el comportamiento de los fluidos ha sido una constante en la física, pero caracterizar y medir la interacción de sus moléculas constituyentes con los objetos mesoscópicos suspendidos, tales como partículas coloidales (de tamaño comprendido entre unos cuantos nanómetros al orden de 1 micrómetro), ahora es posible gracias a la termodinámica estocástica, un campo emergente de la física estadística.
Este problema fue analizado en el artículo “Stochastic energetics of a colloidal particle trapped in a viscoelastic bath”, publicado en la revista New Journal of Physics, de IOP Science, en octubre de 2023. Los autores del artículo pertenecen al Instituto de Física de la UNAM (IFUNAM): Juan Rubén Gómez Solano, investigador adscrito al departamento de Sistemas Complejos, y sus estudiantes de posgrado: Farshad Darabi y Brandon Ferrer.
El grupo de investigación analizó teórica y experimentalmente las propiedades estadísticas de la energía que se transfiere aleatoriamente, como el calor entre un sistema de la escala indetectable al ojo humano, (una micra, o sea la millonésima parte de un metro), y las moléculas de sus alrededores, las cuales constituyen un fluido viscoelástico a temperatura constante. Además observaron cómo ese calor se convierte en movimiento browniano.
La complejidad en los procesos de transferencia local de energía a escalas micro o submicrométricas en fluidos viscoelásticos, los cuales son sistemas que se comportan tanto líquidos viscosos como sólidos elásticos es que son procesos sujetos a fluctuaciones térmicas en donde el movimiento de partículas es aleatorio, por lo que se vuelve casi impredecible seguir la pista de su trayectoria. Ese “casi” es porque sí se puede estudiar de modo estadístico.
"Tratar de rastrear el movimiento de cada una de las moléculas del fluido para comprender los flujos de calor que suceden internamente es imposible en la práctica, por lo que se debe emplear una partícula como sonda que mida el efecto colectivo que resulta de su interacción con las moléculas de su entorno”, explica el Dr. Gómez Solano”.
Esto fue demostrado por el grupo de investigación, de modo teórico y experimental. Por un lado, el grupo de investigación pudo derivar expresiones analíticas exactas que describen el comportamiento estadístico general de las fluctuaciones del calor que fluye entre una partícula esférica confinada por un potencial armónico y las moléculas de un fluido viscoelástico a temperatura constante en donde ésta se encuentra inmersa. Asimismo, estas predicciones teóricas fueron verificadas experimentalmente en el Laboratorio de Materia Blanda Fuera de Equilibrio, cuyo responsable es el Dr. Gómez Solano.
“Los fluidos viscoelásticos, los cuales son abundantes en la naturaleza, no solamente se comportan como un líquido, sino que también como un sólido, es decir, una combinación de ambas. Y todo esto surge precisamente por las características: están formados por muchas partículas con interacciones complicadas, y en su conjunto, dan lugar a un comportamiento viscoelástico”, explica el investigador.
Y, por otro lado, la partícula sonda y las moléculas del fluido intercambian energía todo el tiempo como producto de los choques térmicos entre éstas. “Para que la partícula coloidal usada como sonda se desplace una cierta distancia de su posición original debe haber una transferencia de energía en cierto intervalo de tiempo, cuya probabilidad de ocurrencia cuantificamos mediante una fórmula exacta”, dijo Gómez Solano.
Los investigadores lograron encontrar las fórmulas analíticas exactas que describen el comportamiento termodinámico estocástico de los sistemas estudiados, o dicho de otro modo, pronosticar estadísticamente los flujos de calor entre las moléculas del fluido y la partícula usada como sonda. Luego, midiendo de manera independiente las propiedades viscoelásticas de los fluidos empleados (soluciones poliméricas y micelares), pudieron finalmente hacer una comparación entre los resultados experimentales y los resultados analíticos.
“Lo más que puedes describir en este tipo de procesos energéticos a escalas mesoscópicas es la función de densidad de probabilidad del calor intercambiado. En estas escalas espaciales, el calor es una cantidad que varía aleatoriamente pero puedes saber con qué probabilidad va a ocurrir cierta desviación de su valor medio, asegura el investigador.
En sus palabras, explicó el proceso con la analogía de una pelota, como si fuera la partícula esférica. Son los intercambios de energía que ocurren entre la pelota y su entorno, lo que provoca que esa pelota acelere (cuando gana energía) o desacelere cuando lo pierde.
Es por ello que se mide la probabilidad de la cantidad de calor absorbido durante un periodo de tiempo, de manera que se puede modelar el comportamiento de esta interacción tal y como sucedería con un experimento de laboratorio. Así fue que también comprobaron los resultados teóricos usando una partícula coloidal esférica en un fluido viscoelástico.
Se construyó una trampa óptica usando un láser lo suficientemente enfocado mediante un objetivo de microscopio para confinar una partícula esférica de sílice de 2 micras de diámetro, inmersa en un fluido viscoelástico bajo estudio y usada como sonda.
“Lo que va a suceder es que el láser va a ejercer una fuerza de atracción hacia la región de mayor intensidad sobre la partícula, la cual permite medir directamente la energía intercambiada con el fluido mediante su movimiento browniano”, dijo Gómez Solano. El movimiento de la partícula sonda se logró visualizar gracias a que la muestra fue iluminada y observada a través de una cámara.
El objetivo principal de los experimentos de Gómez Solano y su equipo fue detectar el ruido térmico de la partícula sonda y con ello estudiar en detalle su intercambio de calor con el medio, el cual no solamente se disipa sino es mucho más complejo ya que incluso, se almacena de manera transitoria en las moléculas del fluido viscoelástico.
De acuerdo con el investigador, la fórmula que presenta junto a su equipo permite analizar cualquier tipo de fluidos a temperatura constante, un valor de alto alcance en la ciencia.
