Robert Brown describió, allá por 1827 cómo las partículas de polen disueltas en agua estaban animadas por un movimiento errático: se movían nerviosas en direcciones aleatorias sin parar. La conclusión de este botánico fue que este movimiento era debido a las propias partículas de polen que estaban vivas. De hecho, el movimiento Browniano no fue descubierto por Robert Brown, sino unos cuarenta años antes por Jan Ingenhousz que lo descubrió al seguir la trayectoria de partículas de polvo de carbón disueltas en alcohol. En aquel caso estaba claro: las partículas no podían estar vivas, y el movimiento de las partículas de polvo debía reflejar alguna propiedad de los líquidos. Por lo menos, la injusticia histórica nos ha dejado con un nombre mucho más sencillo para este tipo de movimiento, ya que movimiento Ingenhousziano resulta bastante más difícil de pronunciar que movimiento Browniano.

Trayectoria de una partícula que sigue un movimiento Browniano

Para encontrar una descripción matemática del movimiento Browniano hay que esperar a 1905, a un artículo del gran Albert Einstein. En su tesis doctoral estudió este fenómeno llegando a la conclusión que el movimiento Browniano era debido al choque aleatorio de los átomos contra las partículas. De hecho en aquella época la teoría atómica aún era controvertida y esto supuso una prueba más a favor de la existencia de los átomos. Por suerte para mí y para muchos otros científicos, Albert Einstein decidió dedicar sus esfuerzos a otros menesteres como revolucionar la física clásica y poner patas arriba los conceptos de tiempo y espacio, en vez de seguir estudiando en profundidad el movimiento molecular a escalas de tiempo muy pequeñas.

Albert Einstein en 1904. Un año antes de su año prodigioso

Las ecuaciones de Einstein respecto al movimiento de los líquidos son impecables para tiempos largos, donde largos significa unos cuantos órdenes de magnitud mayores que los picosegundos. En esta escala temporal cada choque no guarda "memoria" de los choques anteriores: son aleatorios. Por otro lado, para tiempos del orden del picosegundo, lo que sucede con una molécula es muy parecido al movimiento de un pasajero de metro en hora punta que necesita bajar en la parada siguiente y está en medio del vagón. El pasajero, nervioso, empieza a moverse en varias direcciones intentando encontrar un hueco para poder acercarse a la puerta, pero no hay manera. Finalmente encuentra un lugar por el que puede avanzar, y pide permiso a la persona que tiene delante, pero no es tan fácil. Esta persona ha de molestar a sus vecinos, por lo que sólo gracias a un movimiento colectivo es posible abrir la "jaula" en la que el hombre estaba encerrado y poder, de esta forma moverse. Una vez ha progresado en su intento de salir ¡horror! debe empezar el proceso de nuevo. Y así hasta que consigue salir por la puerta.

 

Salir del metro en hora punta, tan difícil como describir el movimiento molecular de los líquidos
Esto es muy similar a lo que sucede con el movimiento de las moléculas en un líquido según lo entendemos ahora: se produce un movimiento de enjaulamiento en el que la partícula intenta avanzar, hasta que un grupo de moléculas realizan un movimiento colectivo de forma que la jaula se abre y la partícula se puede mover, para empezar de nuevo el proceso.

La fábula es muy bonita, pero ¿es esto lo que sucede? Parece ser que sí, teniendo en cuenta resultados de simulaciones por ordenador y una gran cantidad de experimentos. Entre otras muchas pruebas experimentales, los resultados de la difusión de neutrones demuestran precisamente esto: que existen dos movimientos, uno a tiempos cortos asociado al movimiento de las moléculas en la caja, y otro a tiempos largos descrito perfectamente con las ecuaciones de Einstein.

Nosotros nos hemos apuntado también a echar una ojeada al movimiento de los líquidos, ayudados por la difusión de neutrones. Para hacer los experimentos fuimos al reactor que hay al lado de Múnich, en Garching (véase entrada anterior del blog). El líquido escogido fue el glicerol [1]. Lo escogimos porque al enfriarse forma un vidrio, es decir, su estructura desordenada se mantiene a cualquier temperatura. Esperábamos obtener lo típico, dos movimientos: uno asociado con el movimiento en la jaula, y otro del tipo "browniano". Pero el análisis de los datos nos mostró que podíamos también ver un tercer movimiento: ¡el relacionado con la rotura de la caja!

Molécula de glicerol: nunca se ordena, y por eso la escogimos para estudiar su movimiento.

Las sorpresas no acabaron aquí. Esperábamos encontrar que el movimiento dentro de la caja se produjera a escalas de tiempo menores que las de rotura de la caja, pero no, sucede todo lo contrario. La partícula intenta sin éxito salir de la caja y en eso tarda mucho tiempo, pero cuando se abre la caja realiza unos saltos de gran longitud que la lleva a otra jaula formada por otras moléculas. Siguiendo con nuestro símil, el pasajero avanza mucho más rápido cuando consigue convencer a sus compañeros de viaje de que se muevan, que cuando está intentando huir de la jaula que forman los otros pasajeros. Aún queda mucho por investigar, pero como siempre, hemos cavado otro escaloncito en ese bloque, a veces granítico, que es la ciencia. 

[1] Alessandro Vispa, Sebastian Busch, Josep Lluis Tamarit, Tobias Unruh, Felix Fernandez-Alonso y Luis Carlos Pardo Phys.Chem.Chem.Phys., 18, 3975 (2016)

 

 

Referencias de las fotos:

By Sullivan.t.j at English Wikipedia. (The description as originally from Wikipedia.) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], from Wikimedia Commons

By Diliff, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=823649

http://www.britannica.com/eb/art-11958/Ingenhousz-detail-of-an-engraving?articleTypeId=1, Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2757163

Luis Carlos Pardo
Luis Carlos Pardo

Investigador del Grupo de Caracterización de Materiales y profesor del grado en Ingeniería Física del ETSETB y de la escuela de ingeniería EEBE. Escritor de divulgación científica y participante en varios certámenes dedicados a acercar la ciencia al gran público. También es tutor de numerosos proyectos de investigación con estudiantes: la siguiente generación de científicos.

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Sobre este blog

La vida escogió el desorden de los líquidos para empezar. En este blog hablaremos de sistemas desordenados y de cómo los científicos intentan poner orden a sus ideas.

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