Співробітники Університету Ерлангена - Нюрнберга (Німеччина) і Федеральної політехнічної школи Лозанни (Швейцарія) представили експериментальні свідчення того, що броунівський рух (БР) частинки у в’язкому середовищі стає процесом із «пам'яттю».

Броунівським, нагадаємо, називають невпорядкований рух дрібних частинок, на які впливають молекули навколишнього середовища - рідини чи газу. Причиною БР стають флуктуації тиску: навколишні молекули здійснюють тепловий рух і завдають частинці некомпенсованих ударів, змушуючи її швидкість швидко змінюватися за величиною та напрямком. Класичну теорію цього процесу сформулювали Альберт Ейнштейн і польський фізик Маріан Смолуховський, які показали, що середнє значення квадрата зсуву броунівської частинки прямо пропорційне часу та температурі і обернено пропорційне в'язкості середовища, розміру частинки і сталій Авогадро.

Одним із очевидних способів перевірки формули був би розрахунок сталої Авогадро за результатами спостережень за переміщеннями частинки. Саме це на початку ХХ століття і здійснив лауреат Нобелівської премії Жан Батіст Перрен, який довів, що теорія Ейнштейна - Смолуховського працює.

Згодом було встановлено, що традиційна теорія дає задовільні результати у більшості практично важливих випадків, але все-таки є наближеною, оскільки теплова сила, що діє на частинку, вважається стохастичною і характеризується білим шумовим спектром. Коли густини середовища і частинки зближаються, ця умова не виконується, тому що БР останньої та зсув частинок середовища, що захоплюються нею, починають помітно впливати один на одного; аналогічний ефект можна спостерігати на прикладі плавця, що, різко зупинившись, відчуває як рухома рідина підштовхує його вперед. У процесу БР, як говорять, з'являється гідродинамічна «пам'ять», а теплова сила характеризується вже не білим, а кольоровим шумовим спектром.

Мікроскопічна сфера, захоплена оптичним пінцетом та піддана бомбардуванню молекулами (ілюстрація Alain Doyon and Sylvia Jeney).

Незважаючи на те що поправки, пов'язані з «пам'яттю», давно перелічені теоретично, виміряти спектр теплового шуму та оцінити його відмінність від білого нікому поки не вдавалося. Автори вирішили це завдання, розглядаючи зсуви сфери з меламіну діаметром у 1 або 1,5 мкм, що утримувалась оптичним пінцетом - пучком випромінювання лазера на легованому неодимом алюмоітрієвому гранаті у розчині ацетону. Показники заломлення меламіну та ацетону (1,68 і 1,36) помітно різняться, що збільшило ефективність захоплення частинки і дозволило спостерігати за її рухом в оптичний мікроскоп.

Описана установка в цілому схожа на комерційні системи, що використовуються біофізиками для вивчення структури і принципу роботи білків, але її конструкція була оптимізована з метою збільшення часової та просторової роздільної здатності. Витративши кілька років на доробку обладнання, німецько-швейцарська група виконала всі необхідні вимірювання і показала, як гідродинамічна «пам'ять» проявляється у броунівському русі.

Повна версія звіту опублікована у журналі Nature; препринт статті можна завантажити із сайту arXiv.

За матеріалами: science.compulenta.ru