Transformar el `ruido` en energía mecánica a

***NOTICIA EMBARGADA***
No publicar hasta las 20h del jueves 8 de noviembre
Transformar el ‘ruido’ en energía mecánica a escala nanométrica
Science publica un estudio coordinado por el investigador del CIC nanoGUNE José Ignacio Pascual
Un grupo de investigadores de la Freie Universität Berlin, coordinado por José Ignacio Pascual
(actualmente líder del grupo de Nanoimagen en nanoGUNE), han desarrollado un método que permite
utilizar de forma eficiente el movimiento aleatorio de una molécula para hacer oscilar una palanca de
dimensiones macroscópicas.
En la naturaleza procesos como el movimiento de los fluidos, la intensidad de las señales
electromagnéticas, las composiciones químicas, etc., están sujetas a las fluctuaciones aleatorias que,
normalmente, denominamos ‘ruido’. Este ruido es una fuente de energía y su uso para efectuar un trabajo
es un paradigma que la naturaleza ha demostrado en algunos casos ser posible.
El estudio liderado por José Ignacio Pascual y publicado en Science, se centra en una molécula de
hidrógeno (H2). Los investigadores situaron la molécula en un espacio muy pequeño entre una superficie
plana y la punta afilada de un microscopio de fuerza atómica ultra-sensible. Este microscopio utiliza el
movimiento periódico de la punta situada al final de un oscilador mecánico muy sensible para ‘sentir’ las
fuerzas que existen a nanoescala. La molécula de hidrógeno se mueve aleatoriamente, caóticamente, y
cuando la punta del microscopio se acerca a ella la golpea, haciendo que el oscilador o palanca se mueva.
Pero la palanca, a su vez, modula el movimiento de la molécula, resultando en un ‘baile’ orquestado entre
la punta y la molécula ‘ruidosa’. “El resultado es que la molécula más pequeña que existe, una molécula de
hidrógeno, ‘empuja’ una palanca que tiene una masa 10 19 veces mayor; ¡diez trillones de veces mayor!”,
explica José Ignacio Pascual.
El principio subyacente es una teoría matemática conocida como Resonancia Estocástica que describe
cómo encauzar la energía de movimientos aleatorios en un movimiento periódico y que, por tanto, puede
dar lugar a su aprovechamiento. Con este estudio se ha demostrado que este principio se cumple a escala
nanométrica.
“En nuestro experimento, el ‘ruido’ de la molécula se realiza inyectando corriente eléctrica, y no
temperatura, a través de la molécula y, por tanto, funciona como un motor convirtiendo energía eléctrica
en mecánica”, dice José Ignacio Pascual. Así, uno de los aspectos más prometedores de este resultado es
que puede ser tenido en cuenta para el diseño de motores moleculares artificiales, que son complejas
moléculas diseñadas para que puedan oscilar o rotar en una sola dirección. Los autores no descartan,
además, que la fluctuación molecular pueda ser producida por otras fuentes, como la luz, realizarse con un
mayor número de moléculas e, incluso, de distinta composición química.
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NOTICIA EMBARGADA
AVISO: Noticia embargada hasta las 8:00 pm del jueves 8 de noviembre
Transformar el ‘ruido’ en energía mecánica a escala nanométrica
Science publica un estudio de la Universidad Libre de Berlin, coordinado por el investigador del CIC
nanoGUNE José Ignacio Pascual
Los investigadores muestran cómo activar el movimiento de un oscilador macroscópico recolectando
energía del movimiento aleatorio de una molécula de hidrógeno.
El descubrimiento abre nuevas posibilidades para idear motores moleculares que extraen energía de su
entorno ‘ruidoso’
Investigadores de la Freie Universität Berlin han desarrollado un método muy eficiente en transformar el
movimiento aleatorio de una molécula en oscilaciones mecánicas de una palanca (oscilador). El trabajo ha
sido liderado por José Ignacio Pascual, actualmente líder del grupo de Nanoimagen en nanoGUNE, y ha
sido publicado en la prestigiosa revista Science.
En la naturaleza procesos como el movimiento de los fluidos, la intensidad de las señales
electromagnéticas, las composiciones químicas, etc., están sujetas a las fluctuaciones aleatorias que,
normalmente, denominamos ‘ruido’. Este ruido es una fuente de energía que alimenta la evolución de
fenómenos, tales como, el clima del planeta o la evolución de los sistemas biológicos. Recolectar la energía
de ese ‘ruido’ es un paradigma que la naturaleza ha demostrado ser posible.
El grupo de investigación coordinado por José Ignacio Pascual ha centrado su estudio en una molécula de
hidrógeno (H2). En su experimento han observado que el movimiento aleatorio – el ruido – de una
molécula de hidrógeno entre dos posiciones
puede causar el movimiento periódico de una
‘máquina mecánica’. El grupo de científicos ha
controlado el movimiento aleatorio de una
molécula de hidrógeno que, de esta forma,
induce golpes aleatorios sobre la palanca. Así,
han observado que, al moverse, la palanca
modula a su vez el movimiento de la molécula y
ambas entran en sintonía, amplificando el
efecto causado por los golpes de la molécula.
“Los empujones aleatorios de la molécula
acaban empujando a la palanca periódicamente
cuando esta se acerca a la molécula, como en
un columpio”, explica José Ignacio Pascual. “El
resultado es que la molécula más pequeña que
existe, una molécula de hidrógeno, ‘empuja’
una palanca que tiene una masa 1019 veces
mayor; ¡diez trillones de veces mayor!”,
Representación del movimiento concertado entre la punta de un
concreta Pascual.
El principio subyacente es
matemática
conocida como
una teoría
Resonancia
oscilador (el sistema de movimiento periódico) y una molécula
de hidrógeno (H-H) que alterna entre dos estados (la fluctuación
’ruidosa’). Cuando la punta se acerca a la molécula (indicado en
rojo) la molécula que se mueve aleatoriamente tiende a pasar
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más tiempo en el estado en que consigue empujar la punta
hacia arriba. Cuando la punta está más arriba la molécula
cambia a una forma (azul) en la que tiene menos efecto sobre la
punta. Las fuerzas que actúan periódicamente en la punta
hacen que su movimiento cambie.
Estocástica que describe cómo encauzar la energía de movimientos aleatorios en un movimiento periódico
y que, por tanto, puede dar lugar a su aprovechamiento. En este caso, se utiliza el movimiento concertado
de las fluctuaciones aleatorias del hidrógeno y el movimiento periódico de un oscilador mecánico para
amplificar la transferencia de energía entre molécula y oscilador. Para acoplar su movimiento, la molécula
se confinó en un pequeño espacio entre una superficie plana y una punta afilada del microscopio de
fuerza atómica (AFM). Este microscopio utiliza el movimiento periódico de la punta situada al final de un
oscilador mecánico muy sensible para ‘sentir’ las fuerzas que existen en la nanoescala. Los movimientos
aleatorios de la molécula ejercen fuerza contra la punta y la hacen oscilar. La oscilación de la punta, a su
vez, modula el movimiento aleatorio de la molécula de hidrógeno y, por tanto, de las fuerzas que sobre
ella actúan. El resultado fue un ‘baile’ orquestado entre la punta y la molécula ruidosa. De esta forma, la
punta osciló distancias superiores al tamaño de la molécula gracias a la energía extraída del ‘ruido’.
“En nuestro experimento, el movimiento aleatorio de la molécula se realiza inyectando corriente eléctrica, y
no temperatura, a través de la molécula y, por tanto, funciona como un motor convirtiendo energía
eléctrica en mecánica”, dice José Ignacio Pascual.
Un aspecto prometedor de este resultado es que podría ser tenido en cuenta para el diseño de motores
moleculares artificiales. De hecho, ya se ha propuesto que el mecanismo de la Resonancia Estocástica esté
detrás de los motores biomoleculares que hacen funcionar la actividad celular de forma natural. Y este
fenómeno podría aplicarse, según los autores del estudio, para inducir oscilaciones en motores
moleculares artificiales, que son complejas moléculas diseñadas para que puedan oscilar o rotar en una
sola dirección. Los autores no descartan, además, que la fluctuación molecular pueda ser producida por
otras fuentes, como la luz.
Los experimentos se realizaron utilizando un microscopio de fuerza atómica ultra-sensible, construido en
el Departamento de Física de la Freie Universität Berlin para investigar interruptores moleculares
absorbidos sobre superficies, uno de los principales retos del proyecto de investigación colaborativo SFB
658. “Teniendo en cuenta el nivel de desarrollo de la técnica que se ha alcanzado gracias a la contribución
de muchos grupos, la detección del movimiento de la molécula con el microscopio no es tan difícil”,
comentan Christian Lotze y Martina Corso, quien apunta que “el logro más relevante es la identificación e
interpretación del efecto: que la molécula provoca movimiento en el oscilador”. En línea con sus coautores,
Katharina Franke, asegura que “nuestra investigación se centrará ahora en la búsqueda de otras fuentes de
‘ruido’ molecular, como las fluctuaciones eléctricas o magnéticas, que podrían conducir a una transferencia
de energía más eficiente”.
Original publication:
The work is published in Science on the 9th of November 2012.
Driving a Macroscopic Oscillator with the Stochastic Motion of a Hydrogen Molecule
Christian Lotze1, Martina Corso1, Katharina J. Franke1, Felix von Oppen1,2, Jose Ignacio Pascual1,3,4
Fachbereich Physik, Freie Universität Berlin, 14195 Berlin, Germany
Dahlem Center for Complex Quantum Systems, Freie Universität Berlin, 14195 Berlin, Germany
3 CIC nanoGUNE Consolider, 20018 Donostia-San Sebastián, Spain
4 IKERBASQUE, Basque Foundation for Science, 48011 Bilbao, Spain
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