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Actualidad científica

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  • 12/11/2012

Nanotecnología

Ruido estadístico y movimiento ordenado

Un experimento hace oscilar una micropalanca a partir de las transiciones aleatorias de una sola molécula de hidrógeno.

Science

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De ruido estadístico a oscilaciones periódicas: Cuando la punta del microscopio de fuerzas atómicas se acerca a la molécula de hidrógeno, esta tiende a pasar más tiempo en un estado que empuja la punta hacia arriba (rojo). Cuando la palanca se aleja, se favorece la transición hacia el estado opuesto (azul). [J.I. Pascual/nanoGUNE]

Como es bien sabido, al realizar un trabajo mecánico, parte de la energía empleada se disipa al entorno en forma de calor y acaba contribuyendo al movimiento aleatorio de los átomos y moléculas del sistema. Sin embargo, en la naturaleza no faltan ejemplos del fenómeno inverso: en numerosos procesos biológicos o climáticos, por ejemplo, el ruido estadístico del entorno se «recicla» y se emplea como fuente de energía útil que realiza trabajo sobre un subsistema. ¿Bajo qué condiciones puede suceder algo así?

Un artículo publicado en el último número de la revista Science ha referido la implementación de dicho principio en un sistema artificial. Jose I. Pascual, investigador del centro de nanotecnología nanoGUNE de San Sebastián, y otros colaboradores la Universidad Libre de Berlín han logrado que un sistema macroscópico (la palanca de un microscopio de fuerzas atómicas) comience a oscilar a partir de las transiciones aleatorias entre dos estados de una única molécula de hidrógeno. 

Para ello, el equipo situó una molécula de hidrógeno entre un electrodo de cobre y la punta de un microscopio de fuerzas atómicas. El ruido estadístico al que se encontraba sometida la molécula del experimento no era de naturaleza térmica, sino eléctrica: al aplicar un voltaje, se producían transiciones aleatorias entre dos estados de la molécula, correspondientes con dos posiciones diferentes. Para transformar ese movimiento desordenado en una transmisión neta de impulso hacia el sistema macroscópico, los investigadores acoplaron las probabilidades de transición entre los estados de la molécula a la posición de la palanca. Cuando esta se alejaba de la molécula, el hidrógeno tendía a pasar más tiempo en la configuración que ejercía una fuerza atractiva, y viceversa (cuando la palanca se acercaba, se favorecía la transición hacia el segundo estado de la molécula, de naturaleza repulsiva). Como resultado, aparecía una contribución neta de fuerzas sobre la palanca que provocaba que esta acabase oscilando de manera regular. 

La conversión de ruido en energía aprovechable obedece a un fenómeno conocido como resonancia estocástica. En términos de teoría de la señal, la resonancia estocástica se produce cuando el cociente entre señal y ruido se maximiza para una cierta cantidad de ruido. 

A pesar de que la energía comunicada por la molécula en cada ciclo era ínfima (del orden de unos 10 milielectronvoltios), esta podía acumularse hasta producir oscilaciones macroscópicas en la palanca, cuya masa era 10 trillones (1019) de veces mayor. Aparte de una demostración de principio del fenómeno, los investigadores esperan que el resultado permita el desarrollo de motores moleculares que aprovechen la energía química del entorno para realizar trabajo a escala nanoscópica.
 

Más información en la página web de nanoGUNE y Science.

—IyC

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