Midiendo las fuerzas de atracción entre átomos y superficies con una precisión sin precedentes, físicos de la Universidad de Arizona han producido datos que pueden refinar nuestra comprensión de la estructura de los átomos y mejorar la nanotecnología. Las fuerzas de Van der Waals son fundamentales para la química, la biología y la física. Sin embargo, se encuentran entre las más débiles interacciones químicas conocidas por lo que son notoriamente difíciles de estudiar. Esta fuerza es tan débil que es difícil de percibir en la vida cotidiana.
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Traducción al español del artículo.
Físicos de la Universidad de Arizona exponen nuevo enfoque del átomo
Pero adentrarse en el mundo de las micro-máquinas y nano-bots, sentirá la fuerza en todas partes.
"Si usted hace sus componentes lo suficientemente pequeños, con el tiempo este potencial van-der-Waals comienza a convertirse en la interacción dominante", dijo Vicente Lonij, un estudiante graduado en el departamento de la UA de física que dirigió la investigación como parte de su tesis doctoral.
"Si usted hace diminutos mecanismos para un nano-robot, estos mecanismos se adhieren entre sí y se detienen. Queremos entender mejor cómo funciona la fuerza".
Para estudiar la fuerza de van-der-Waals, Lonij y sus compañeros de trabajo Will Holmgren, Cathy Klauss y el profesor asociado de física Alex Cronin diseñaron una sofisticada instalación experimental que puede medir las interacciones entre los átomos individuales y una superficie. Los físicos aprovechan de la mecánica cuántica, que afirma que los átomos pueden ser estudiadas y descritas como partículas y como ondas.
Como los átomos pasan a través de las ranuras de la rejilla, la fuerza de van-der-Waals atrae a las barras de separación de las ranuras. Dependiendo de qué tan fuerte sea la interacción, cambiará la trayectoria del átomo, al igual que un rayo de luz se dobla cuando pasa a través del agua o un prisma.
Una onda que pasa por el centro de la ranura hace relativamente no se sobrecargará. Por otro lado, si un átomo de onda pasa cerca de los bordes de la ranura, interactará con la superficie y pasará un poco por delante, "fuera de fase", como dicen los físicos.
"Después de los átomos pasan a través de la rejilla, se detecta la cantidad de ondas que están fuera de fase, lo que nos dice cuán fuerte es el potencial de van-der-Waals cuando los átomos interactúan con la superficie."
Misterioso como parece, sin la fuerza van-der-Waals, la vida sería imposible. Por ejemplo, ayuda a las proteínas que forman nuestros cuerpos se plieguen en las complejas estructuras que les permiten dedicarse a sus tareas de modo altamente especializado.
A diferencia de atracción magnética, que afecta a los metales o materia sólo lleva una corriente eléctrica, las fuerzas de Van-der-Waals no hacen nada para adherirse a cualquier cosa, siempre y cuando las dos están muy cerca una de la otra. Debido a que la fuerza son tan débiles, su acción no se amplia más allá de la escala de átomos - que es precisamente la razón por la cual no hay pruebas de esa fuerza en nuestro mundo cotidiano y por eso lo dejamos para los físicos, tales como Lonij, para que desentrañe su secretos.
Inicialmente, fue hecho simplemente por curiosidad, dijo Lonij. Cuando comenzó su proyecto, no sabía que daría lugar a una nueva forma de medir las fuerzas entre átomos y superficies que podría cambiar la forma de pensar de los físicos acerca de los átomos.
Y con una sonrisa, agregó: "Pensé que sería conveniente estudiar esta fuerza, ya que soy de los Países Bajos, y el Sr. van der Waals fue holandés, también."
Además de demostrar que el núcleo de electrones contribuía al potencial de van-der-Waals, Lonij y su grupo hizo otro descubrimiento importante.
Los físicos de todo el mundo que están estudiando la estructura del átomo se esfuerzan para tener puntos de referencia que les permitan poner a prueba sus teorías acerca de cómo los átomos trabajan e interactúan. "Nuestras mediciones de los potenciales de la superficie de átomos pueden servir como tales puntos de referencia", explicó Lonij. "Ahora podemos probar la teoría atómica de una forma nueva."
El estudio de cómo los átomos interactúan es difícil porque no son simples bolitas. En su lugar, ellos son lo que los físicos llaman sistemas de muchos cuerpos. "Un átomo se compone de un montón de otras partículas, electrones, neutrones, protones, y así sucesivamente", dijo Lonij.
A pesar de que el átomo en su conjunto no posee carga eléctrica neta, las diferentes partículas cargadas que se mueven alrededor en su interior son los que crean la fuerza de van-der-Waals, en primer lugar.
"Lo que sucede es que los electrones, que tienen toda la carga negativa y los protones, que tienen toda la carga positiva , no están siempre en los mismos lugares. Así que se puede tener diminutas diferencias en la carga que están fluctuando muy rápido. Si se pone una carga cerca de una superficie, se inducen a una carga imagen. De una manera muy simplificada, se podría decir que el átomo se siente atraído por su propio reflejo".
Para los físicos, que prefieren las cosas ordenadas y manejables con matemáticas afiladas, tales como un sistema, compuesto de muchas partículas más pequeñas enfocadas alrededor de la otra, es difícil que pueda concretarse. Para añadir más complicación, la mayoría de las superficies no están limpias. Como Lonij dice, "Comparar un sistema sucio para teorizarlo es un gran desafío, pero nos dimos cuenta que de todos modos había de una manera de hacerlo".
Una crítica importante de este tipo de trabajo siempre fue, "bueno, usted está midiendo la potencial superficie del átomo, pero no sabe que esa superficie se parece a lo que no se puede realmente medir. "
Para eliminar este problema, el equipo de Lonij utiliza diferentes tipos de átomos y observaron cómo cada uno interactúa con la superficie del mismo.
"Nuestra técnica le da la relación de los potenciales directamente sin conocer el potencial de cualquiera de los dos átomos", dijo. "Cuando empecé hace cinco años, la incertidumbre en este tipo de mediciones era de 20 por ciento. La bajamos a dos por ciento ".
El descubrimiento más significativo fue que los electrones internos de un átomo, en órbita alrededor del núcleo a una distancia más cerca de electrones externos del átomo, pueden influir en la manera en que el átomo interactúa con la superficie.
"Se demuestra que estos núcleos de electrones contribuyen con el potencial en la superficie del átomo", dijo Lonij, "que sólo se conocía en la teoría hasta ahora. Esta es la primera demostración experimental de que los núcleos de electrones afectan los potenciales en la superficie del átomo".
"Pero lo que es quizás más importante", añadió, "es que también puede transformarse. Ahora sabemos que los electrones internos afectan a los potenciales átomo de la superficie. También sabemos que estos electrones internos son difíciles de calcular en la teoría atómica. Por lo tanto, puede utilizar las mediciones de los potenciales en la superficie del átomo; para hacer la mejor teoría: La teoría del átomo".
#3 Muchas gracias.
Después de leerlo sigo sin comprender el nuevo enfoque
A la traducción le falta sólo el párrafo que está en la entradilla.
Me parece muy bien. Si alguien fuese tan amable de explicar ese enfoque, estaría muy agradecido.
#1 ¿De perfil?