Antonio Lasanta Becerra, investigador de la Facultad de Educación, Economía y Tecnología de Ceuta junto con un equipo de investigadores de la Facultad de Ciencias también de la Universidad de Granada, en sinergia con el Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences en Alemania, ha descubierto una notable asimetría en la cinemática de los procesos de calentamiento y enfriamiento de partículas microscópicas. De manera más específica, sus resultados teóricos y experimentales revelan de manera consistente que el calentamiento se produce de manera más rápida que el enfriamiento. Estos hallazgos han sido recientemente publicados en la prestigiosa revista Nature Physics
Estas diminutas partículas se hallan inmersas en agua, y debido a su reducido tamaño, el impacto de las colisiones con las moléculas del líquido afecta de manera significativa a su dinámica, lo que da lugar a un movimiento aparentemente aleatorio. Así, para analizar y comprender este movimiento, conocido como movimiento Browniano, es esencial recurrir a la teoría de la probabilidad.
En este estudio se analiza cómo evoluciona el sistema cuando cambiamos súbitamente la temperatura a la que se encuentra un objeto, como podría ocurrir cuando tomamos un objeto que está en un baño de agua hirviendo y lo introducimos en una mezcla de agua con hielo. El sistema tiende a igualar su temperatura con la fijada por el nuevo ambiente térmico, recorriendo un camino que es diferente del que recorrería en el proceso inverso, como ocurriría al introducir en agua hirviendo un objeto recién sacado de la mezcla de agua con hielo. Según los nuevos resultados, el proceso de calentamiento será siempre más rápido que el proceso de enfriamiento.
Los experimentos se han desarrollado en el recientemente fundado Laboratorio de Atrapamiento de Nanopartículas (NanoTLab) del Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Granada, único laboratorio de Andalucía que dispone de un dispositivo de pinzas ópticas, instrumento desarrollado por Arthur Ashkin y que le valió el Premio Nobel de Física en 2018.
El NanoTLab, ubicado en la Facultad de Ciencias, cuenta con este avanzado dispositivo, en el que un haz láser permite inmovilizar y manipular micropartículas con una precisión y resolución formidables, permitiendo así la observación de la dinámica ahora descubierta. Cabe destacar que la dirección de la división teórica de este trabajo se desarrolla por el investigador de Ceuta del departamento de Álgebra y del Instituto Carlos I de Física teórica y Computacional Antonio Lasanta Becerra.
(a) Esquema del montaje experimental. Una micropartícula cargada es atrapada mediante un haz láser, y la temperatura del baño térmico es controlada mediante una señal eléctrica ruidosa que simula un baño térmico. (b) En uno de los protocolos estudiados, se compara la cinemática de la evolución entre dos estados iniciales diferentes, uno más caliente y otro más frío que el estado objetivo, que es intermedio entre los dos anteriores y equidistante a ellos. (c) La asimetría observada inicialmente se conserva cuando solo se consideran dos temperaturas, comparando los procesos de enfriamiento y calentamiento entre ellas.
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El fenómeno por el cual el calentamiento de estas partículas se produce más rápidamente que el enfriamiento puede comprenderse analizando las colisiones que la partícula experimenta con las moléculas de agua. Con el aumento de la temperatura del fluido, la frecuencia de estas colisiones se incrementa, y la partícula alcanza un estado de equilibrio con la temperatura final a medida que se adapta a “convivir” con este nuevo ambiente. En el caso de transitar de una temperatura más baja a una más elevada, la partícula pasa de experimentar pocos impactos a enfrentarse a una cantidad mucho mayor de ellos, facilitando así su rápida adaptación al nuevo entorno. Por el contrario, el proceso de enfriamiento implica una transición de un estado de alta energía térmica a uno de energía menor, y el equilibrio se torna más lento debido a que la partícula posee inicialmente una energía significativamente superior a la del fluido que la circunda, y por lo tanto, no puede desprenderse de ella con la misma facilidad que en el caso contrario.
Estos resultados son relevantes tanto por su interés fundamental como por las posibles aplicaciones que podrían surgir en el futuro. Desde el punto de vista fundamental, es de destacar que es aún poco lo que sabemos sobre la evolución de sistemas fuera del equilibrio. Aunque sería difícil reproducir este tipo de fenomenología en un sistema macroscópico, la realización de experimentos que permitan el análisis preciso de la evolución de sistemas bien controlados fuera del equilibrio puede ayudar a sentar las bases teóricas que describan con generalidad tales dinámicas.
Las aplicaciones de los nuevos conocimientos adquiridos se anticipan en el diseño y optimización de micro-motores o micro-máquinas que funcionan de manera autónoma convirtiendo unos tipos de energía en otros, de manera análoga a como funcionan los motores convencionales. Este campo de investigación es muy activo, y se espera que dichos sistemas microscópicos puedan ser utilizados tanto en aplicaciones biotecnológicas como en el diseño de nuevos materiales que se autoensamblan o se autorreparan.
Los motivos subyacentes que explican la asimetría descubierta en el comportamiento de estas partículas aún constituyen un enigma, y están relacionados con otros efectos anómalos que la comunidad científica está debatiendo. Por ejemplo, a mediados del siglo pasado, se hizo un hallazgo sorprendente: resulta ser mucho más rápido enfriar agua hirviendo que agua a una temperatura más moderada, un fenómeno que se conoce como ‘efecto Mpemba’. Este peculiar efecto también se ha manifestado en partículas brownianas, sistemas cuánticos, magnéticos y en medios granulares. Cabe destacar que estos descubrimientos fueron también llevados a cabo por Antonio Lasanta entre los años 2017 y 2021, uno de ellos en colaboración con Giorgio Parisi premio Nobel de Física en 2021. En la actualidad, las investigaciones del equipo se centran en desentrañar las causas fundamentales que dan lugar a estos fenómenos anómalos en el ámbito de las partículas brownianas, así como en la observación en experimentos más complejos, como sistemas de conjuntos de partículas. Asimismo la sección teórica de Ceuta está desarrollando sus investigaciones con vistas a la aplicación en dispositivos cuánticos y en computación cuántica. Independientemente de las percepciones cotidianas o las aplicaciones, lo cierto es que este descubrimiento abre un abanico de nuevos interrogantes, desafiando la intuición y apelando a la comunidad científica a encontrar respuestas en un futuro próximo.
