Overgangen die optreden in systemen op nanoschaal, zoals een chemische reactie of het vouwen van een eiwit, worden sterk beïnvloed door wrijving en thermische ruis. Bijna 80 jaar geleden, de Nederlandse natuurkundige Hendrik Kramers voorspelde dat dergelijke overgangen het meest voorkomen bij tussenliggende wrijving, een effect dat bekend staat als de omzet van Kramers. Nutsvoorzieningen, melden in Natuur Nanotechnologie , een team van wetenschappers van de ETH Zürich, ICFO in Barcelona en de Universiteit van Wenen hebben dit effect gemeten voor een lasergevangen deeltje, directe bevestiging van de voorspelling van Kramers in een experiment voor de eerste keer.

in 1827, de Engelse botanicus Robert Brown maakte een schijnbaar onbelangrijke observatie die een centrale rol zou blijken te spelen in de ontwikkeling van de atoomtheorie van de materie. Kijkend door het objectief van een microscoop, hij merkte op dat stuifmeelkorrels die in het water dreven constant in het rond schommelden alsof ze door een onzichtbare kracht werden voortgedreven, een fenomeen dat nu bekend staat als Brownse beweging. Later werd begrepen dat de onregelmatige beweging van het stuifmeeldeeltje wordt veroorzaakt door het onophoudelijk schudden van de watermoleculen die het stuifmeeldeeltje omringen. Albert Einsteins theoretische analyse van dit fenomeen leverde cruciaal bewijs voor het bestaan ​​van atomen. De botsingen van de stuifmeelkorrel met de watermoleculen hebben twee belangrijke effecten op de beweging van de korrel. Aan de ene kant, ze genereren wrijving die het deeltje vertraagt ​​en, tegelijkertijd, hun thermische agitatie houdt het deeltje in beweging. Brownse beweging is het resultaat van het evenwicht van deze concurrerende krachten.

Wrijving en thermische beweging veroorzaakt door de omgeving hebben ook een grote invloed op overgangen tussen langlevende toestanden, bijvoorbeeld faseovergangen zoals bevriezen of smelten. De langlevende staten, bijv. verschillende fasen van een materiaal of verschillende chemische soorten, worden gescheiden door een hoge energiebarrière zoals schematisch weergegeven in de afbeelding. De barrière tussen de putten verhindert dat het fysieke systeem snel tussen de twee toestanden kan worden omgezet. Als gevolg hiervan, het systeem brengt het grootste deel van zijn tijd door in een van de putten en springt slechts zelden van de ene put naar de andere. Dergelijke transities zijn van belang voor veel processen in natuur en techniek, variërend van faseovergangen tot chemische reacties en het vouwen van eiwitten.

De onverwachte invloed van wrijving op overgangen

Hoe vaak, dan, komen dergelijke zeldzame barrière-overschrijdingen voor? Dit is de vraag die de Nederlandse natuurkundige Hendrik Kramers in 1940 theoretisch beantwoordde. Met behulp van een eenvoudig modelsysteem, hij toonde wiskundig aan dat de snelheid waarmee overgangen plaatsvinden snel afneemt met toenemende barrièrehoogte. Meer verrassend, Kramers voorspelde dat de overgangssnelheid ook op een zeer interessante manier afhangt van de wrijving. Voor sterke wrijving, het systeem beweegt traag wat leidt tot een kleine overgangssnelheid. Naarmate de wrijving afneemt, het systeem beweegt vrijer en de overgangssnelheid neemt toe. Bij voldoende lage wrijving, echter, de transitiesnelheid begint weer af te nemen omdat het in dit geval lang duurt voordat het systeem voldoende energie uit de omgeving haalt om de barrière te overwinnen. Het resulterende maximum van de overgangssnelheid bij tussenliggende wrijving wordt de Kramers-omzet genoemd.

De voorspelling van Kramers meten met lasergevangen nanodeeltjes

In een internationale gezamenlijke inspanning, wetenschappers van de ETH Zürich, ICFO in Barcelona en de Universiteit van Wenen zijn er nu in geslaagd om de Kramers-omzet voor een zwevend nanodeeltje direct te observeren. In hun experiment hebben een nanodeeltje wordt vastgehouden in een laserval met twee putjes gescheiden door een energiebarrière, zoals weergegeven in de afbeelding. Net als de stuifmeelkorrel die Brown heeft waargenomen, het nanodeeltje botst constant met de moleculen eromheen en deze willekeurige interacties duwen het nanodeeltje af en toe over de barrière. Door de beweging van het nanodeeltje in de tijd te volgen, de wetenschappers bepaalden de snelheid waarmee het nanodeeltje tussen de putjes springt voor een breed scala aan wrijvingen, die nauwkeurig kan worden afgesteld door de druk van het gas rond het nanodeeltje aan te passen. Het uit hun experiment verkregen percentage bevestigt duidelijk de omzet die Kramers bijna 80 jaar geleden voorspelde. "Deze resultaten verbeteren ons begrip van wrijving en thermische beweging op nanoschaal en zullen nuttig zijn bij het ontwerp en de constructie van toekomstige nano-apparaten, " zegt Christoph Dellago, een van de auteurs van het onderzoek.