Броуновское движение частиц в вязкой среде становится процессом с "памятью"

bimages.jpg

Сотрудники Университета Эрлангена - Нюрнберга (Германия) и Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) представили экспериментальные свидетельства того, что броуновское движение (БД) частицы в вязкой среде становится процессом с "памятью".

Причиной БД становятся флуктуации давления: окружающие молекулы совершают тепловое движение и наносят частице нескомпенсированные удары, заставляя ее скорость быстро меняться по величине и направлению. Классическую теорию этого процесса сформулировали Альберт Эйнштейн и польский физик Мариан Смолуховский, показавшие, что среднее значение квадрата смещения броуновской частицы прямо пропорционально времени и температуре и обратно пропорционально вязкости среды, размеру частицы и постоянной Авогадро.
Одним из очевидных способов проверки формулы был бы расчет постоянной Авогадро по результатам наблюдений за перемещениями частицы. Именно это в начале ХХ века и проделал лауреат Нобелевской премии Жан Батист Перрен, доказавший, что теория Эйнштейна - Смолуховского работает.
В дальнейшем было установлено, что традиционная теория дает удовлетворительные результаты в большинстве практически важных случаев, но все же является приближенной, поскольку тепловая сила, действующая на частицу, в ней считается стохастической и характеризуется белым шумовым спектром. Когда плотности среды и частицы сближаются, это условие не выполняется, так как БД последней и смещение увлекаемых ею частиц среды начинают заметно влиять друг на друга; аналогичный эффект можно наблюдать на примере пловца, который, резко остановившись, чувствует, как движущаяся жидкость подталкивает его вперед. У процесса БД, как говорят, появляется гидродинамическая "память", а тепловая сила характеризуется уже не белым, а окрашенным шумовым спектром.
Микроскопическая сфера, захваченная оптическим пинцетом и бомбардируемая молекулами (иллюстрация Alain Doyon and Sylvia Jeney).
Несмотря на то что поправки, связанные с "памятью", давно просчитаны теоретически, измерить спектр теплового шума и оценить его отличие от белого никому пока не удавалось. Авторы решили эту задачу, рассматривая смещения сферы из меламина диаметром в 1 или 1,5 мкм, удерживаемой оптическим пинцетом - пучком излучения лазера на алюмоиттриевом гранате, легированном неодимом, - в растворе ацетона. Показатели преломления меламина и ацетона (1,68 и 1,36) заметно различаются, что увеличило эффективность захвата частицы и позволило наблюдать за ее движением в оптический микроскоп.
Описанная установка в целом похожа на коммерческие системы, используемые биофизиками для изучения структуры и принципа работы белков, но ее конструкция была оптимизирована с целью увеличения временнóго и пространственного разрешения. Потратив несколько лет на доработку оборудования, германо-швейцарская группа выполнила все необходимые измерения и показала, как гидродинамическая "память" проявляется в броуновском движении.
Отчет опубликован в журнале Nature; препринт можно скачать с сайта arXiv.
По материалам Physicsworld.Com.