Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales
Program 2012-13
El movimiento browniano: un paradigma de la materia blanda y de la Biología
Resumen de la conferencia por:

Jesús Santamaría Antonio
Doctor en Ciencias Químicas (1974) y Catedrático de Química Física desde 1983. Becario Fulbright en la Universidad de California Irvine (1975-77) y becario NATO en la Universidad de Cornell (1984). Profesor visitante en las Universidades de Cornell (1980-87), UC Londres (1989) e Irvine (1990-91). Ha participado en proyectos y redes internacionales: NSF (1980-83), C. C. Hispano-Norteamericano (1985-88), varias Acciones integradas (1989-96), Redes ULTRA (2000-03) y DYNA (2005-10) de la ESF, Doctorado europeo Florencia-UCM (2005-11). Su investigación se centra en estudios teóricos de Dinámica Molecular de procesos químicos ultrarrápidos, en particular en presencia de campos láser pulsados (Femtoquímica). Ha sido Secretario de la RSE de Química (1983-86), Decano de la Facultad de C. Químicas de la UCM (1998-2006), miembro del Consejo Directivo del Laboratorio Europeo LENS de Florencia (2005-11) y ha coorganizado dos congresos internacionales en Femtoquímica (Femto5, Toledo 2001, y Femto10, Madrid 2011). Académico Numerario de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales.
 
texto completo publicado de la conferencia (pdf - 1.11 mb.)

resumen

En 1827 el botánico escocés Robert Brown observó al microscopio que pequeñas partículas (granos de polen y partículas inorgánicas) suspendidas en líquidos realizan sin parar movimientos muy irregulares. Este comportamiento fue designado movimiento browniano y ya en 1887 L. Gouy concluyó que era una manifestación del movimiento térmico de las partículas del disolvente, de acuerdo con la teoría cinética de la materia. Sin embargo, fue A. Einstein, que ignoraba los experimentos de Brown, quien en 1905 dio una explicación del fenómeno, al resolver el conflicto entre las altas velocidades de las partículas, calculadas según el principio de equipartición, y sus modestos desplazamientos medios observados, <Δr2˃1/2, no estando definidas en este proceso mesoscópico las velocidades de esas partículas (<Δr2˃=6DΔt, con difusión D=kBT/ζ, y fricción Stokes ζ= 6πaη), sentando así las bases de la Física atómico-molecular del siglo XX así como de la Matemática pura de los procesos estocásticos o al azar. La teoría se amplió con los trabajos de Smoluchowski en 1906 y de Langevin en 1908, y fueron J. Perrin en 1908 y T. Svedberg en 1912 los que demostraron con experimentos la existencia respectiva de los átomos y las moléculas. El movimiento browniano, compatible con el equilibrio termodinámico, es una consecuencia de las fluctuaciones de la densidad del fluido, y en general los coeficientes cinéticos (D, ζ, etc.) de las ecuaciones termodinámicas o hidrodinámicas se expresan en términos de funciones de autocorrelación de fluctuaciones de variables microscópicas (relaciones de M.Green 1951-R. Kubo 1957).

El movimiento browniano en materia condensada blanda y biología, ambas gobernadas por estructuras de mesoescala y fluctuaciones importantes, es crucial para determinar la dinámica relevante que une lo microscópicamente rápido con lo macroscópicamente lento, que se resume en las dos fórmulas: energética, kBT≈4 pN.nm (pN, piconewtons; nm, nanometro) y cinética, kBT/η=6πaD≈4μm3.s-1 (μm, micrómetro; s, segundo). Este movimiento permite, en situaciones de no equilibrio, la aparición de fluctuaciones del trabajo, violaciones transitorias de la segunda ley termodinámica y variaciones de la energía libre ΔF. Jarzynski en 1997 demostró que ΔF se puede obtener promediando, a diferentes tiempos, el trabajo fuera del equilibrio W, es decir ΔF = -kBT