Filman el movimiento de nanopartículas en un líquido con microscopía electrónica 4D

X. Fu et al./ Science Advances, 2017

Se ha observado que partículas diminutas suspendidas en un líquido caliente, se mueven de manera aparentemente azarosa. Tal movimiento fue observado por Roberto Brown en el siglo XIX, un fenómeno que se acabó llamando movimiento browniano. Hasta ahora, había sido imposible capturar este movimiento, pero los investigadores han reconstruido fotos tomadas usando un microscopio electrónico. 

Con ello, un equipo de investigadores de de la Universidad de Tecnología de California (Caltech, EE. UU.) ha descrito el uso de técnicas de microscopía electrónica de cuatro dimensiones para capturar imágenes en tiempo real de nanopartículas de oro a medida que se difunden en un líquido. El nuevo enfoque se basa en la microscopía tridimensional, que implica el uso de pulsos de láser extremadamente rápidos, y funciona de la siguiente manera: el primero de dos láseres excita las partículas, mientras que el segundo toma una imagen de la acción, que ocurre tan rápidamente que los resultados pueden ser vistos como una película. El estudio se ha publicado en Science Advances.

En sus experimentos, los investigadores dispararon un primer pulso, luego dispararon un segundo pulso que capturó imágenes de minúsculas burbujas que se formaban cerca de la superficie de las nanopartículas y las excitaban. Aumentar la energía del primer pulso, según el equipo, resultó en la fusión de muchas de las pequeñas burbujas, causando diferentes tipos de movimiento. Los investigadores sugieren que su técnica podría ser utilizada por otros investigadores para estudiar los sistemas de dispersión, en particular los que están fuera de equilibrio. Los resultados obtenidos pueden ser extremadamente útiles para describir nanosistemas en los que las partículas son impulsadas por la luz, aseguran, y también podrían allanar el camino al desarrollo de nanorobots de luz que trabajen en sistemas líquidos.

Los investigadores colocaron las nanopartículas de oro en una película líquida con un grosor de 200 nanómetros y observaron su movimiento de traslación durante la irradiación con pulsos láser de femtosegundos. Las mediciones se realizaron en dos modos: para intervalos cortos y largos. Resultó que en intervalos cortos (algunos nanosegundos) el movimiento de las partículas es como el de un proyectil. Durante largos períodos de tiempo, el movimiento fue difusivo, pero veloz.

Movimiento browniano superrápido de nanopartículas en períodos largos. / Science Advances, 2017

Los coeficientes de difusión medidos para este tipo de movimiento ultrarrápido resultaron ser dos órdenes de magnitud mayores a los coeficientes de difusión de las partículas brownianas comunes. Además, se pudo demostrar que dependen de la longitud de la onda del láser excitador y de la frecuencia de los pulsos. Al mismo tiempo, en las imágenes, los científicos detectaron nanoburbujas que se forman cerca de la superficie de una nanopartícula cuando es excitada con un láser. Los físicos sugieren que estas nanoburbujas son las que conducen a la difusión ultrarrápida. Debido a que la burbuja se forma rápidamente y solo en un lado de la partícula, esto da como resultado el movimiento de traslación de la nanopartícula en cierta dirección.

Movimiento balístico de nanopartículas en pequeños tiempos. / Science Advances, 2017

Para describir este mecanismo, los científicos propusieron un modelo físico que examina la dinámica del líquido hirviendo cerca de la superficie de una nanopartícula y permite estimar el pulso que se le transmite. El modelo propuesto fue capaz de describir cuantitativamente los datos obtenidos tanto para el movimiento balístico en tiempos pequeños, como para la difusión ultrarrápida en tiempos largos.

Alexánder Dubov

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