Transitions se produisant dans des systèmes à l'échelle nanométrique, comme une réaction chimique ou le repliement d'une protéine, sont fortement affectés par le frottement et le bruit thermique. Il y a presque 80 ans, le physicien néerlandais Hendrik Kramers a prédit que de telles transitions se produisent le plus souvent à des frottements intermédiaires, un effet connu sous le nom de chiffre d'affaires de Kramers. Maintenant, rapport dans Nature Nanotechnologie , une équipe de scientifiques de l'ETH Zurich, ICFO à Barcelone et l'Université de Vienne ont mesuré cet effet pour une particule piégée au laser, confirmant directement la prédiction de Kramers dans une expérience pour la première fois.

En 1827, le botaniste anglais Robert Brown a fait une observation de peu d'importance qui allait jouer un rôle central dans le développement de la théorie atomique de la matière. En regardant à travers l'objectif d'un microscope, il remarqua que les grains de pollen flottant dans l'eau s'agitaient constamment comme s'ils étaient poussés par une force invisible, un phénomène maintenant connu sous le nom de mouvement brownien. Il a été compris plus tard que le mouvement irrégulier de la particule de pollen est causé par le tremblement incessant des molécules d'eau entourant la particule de pollen. L'analyse théorique d'Albert Einstein de ce phénomène a fourni des preuves cruciales de l'existence des atomes. Les collisions du grain de pollen avec les molécules d'eau ont deux effets importants sur le mouvement du grain. D'une part, ils génèrent des frictions qui ralentissent la particule et, à la fois, leur agitation thermique maintient la particule en mouvement. Le mouvement brownien résulte de l'équilibre de ces forces concurrentes.

Le frottement et le mouvement thermique causés par l'environnement affectent également profondément les transitions entre les états à longue durée de vie, par exemple les transitions de phase telles que la congélation ou la fusion. Les états de longue durée, par exemple. différentes phases d'un matériau ou d'espèces chimiques distinctes, sont séparés par une barrière à haute énergie comme représenté schématiquement dans l'illustration. La barrière entre les puits empêche le système physique d'interconvertir rapidement entre les deux états. En conséquence, le système passe le plus clair de son temps à tourner en rond dans l'un des puits et ne saute que rarement d'un puits à l'autre. De telles transitions sont importantes pour de nombreux processus dans la nature et la technologie, allant des transitions de phase aux réactions chimiques et au repliement des protéines.

L'influence inattendue du frottement sur les transitions

Combien de fois, alors, des événements de franchissement de barrières aussi rares se produisent-ils ? C'est la question que le physicien néerlandais Hendrik Kramers a abordée théoriquement en 1940. À l'aide d'un système de modèle simple, il a montré mathématiquement que la vitesse à laquelle les transitions se produisent décroît rapidement avec l'augmentation de la hauteur de la barrière. Plus surprenant, Kramers a prédit que le taux de transition dépend également du frottement d'une manière très intéressante. Pour les frottements forts, le système se déplace lentement, ce qui entraîne un faible taux de transition. Au fur et à mesure que le frottement diminue, le système se déplace plus librement et le taux de transition augmente. À un frottement suffisamment faible, cependant, le taux de transition recommence à diminuer car dans ce cas, il faut beaucoup de temps au système pour acquérir suffisamment d'énergie de l'environnement pour surmonter la barrière. Le maximum résultant du taux de transition au frottement intermédiaire est appelé le chiffre d'affaires de Kramers.

Mesurer la prédiction de Kramers avec des nanoparticules piégées au laser

Dans un effort commun international, scientifiques de l'ETH Zurich, ICFO à Barcelone et l'Université de Vienne ont maintenant réussi à observer directement le chiffre d'affaires de Kramers pour une nanoparticule en lévitation. Dans leur expérience, une nanoparticule est contenue dans un piège laser avec deux puits séparés par une barrière énergétique comme le montre l'illustration. Tout comme le grain de pollen observé par Brown, la nanoparticule entre constamment en collision avec les molécules qui l'entourent et ces interactions aléatoires poussent occasionnellement la nanoparticule au-dessus de la barrière. En surveillant le mouvement de la nanoparticule au cours du temps, les scientifiques ont déterminé la vitesse à laquelle la nanoparticule saute entre les puits pour une large gamme de frictions, qui peut être réglé avec précision en ajustant la pression du gaz autour de la nanoparticule. Le taux obtenu à partir de leur expérience confirme clairement le chiffre d'affaires prédit par Kramers il y a près de 80 ans. "Ces résultats améliorent notre compréhension du frottement et du mouvement thermique à l'échelle nanométrique et seront utiles dans la conception et la construction de futurs nanodispositifs, " dit Christoph Dellago, l'un des auteurs de l'étude.