El doctor en física Iñaki Martínez, de Talavera de la Reina, lidera una investigación de la Marie Sklodowska Curie (MSCA) en la Universidad de Gante centrada en discernir la importancia del ruido para entender los sistemas microscópicos. Los resultados de la investigación pueden resultar claves para el desarrollo de tecnología miniaturizada, «uno de los principales desafíos de nuestra época».
Tendemos a considerar el ruido como un obstáculo en el funcionamiento de un sistema. Sin embargo, esto no es así en el mundo microscopico. A través de su proyecto, denominada Neqliq –siglas de ‘Non-equilibrium features of small systems within critical liquids’–, Martínez persigue en Grupo de Cristales Líquidos y Fotónica «la termodinámica de sistemas pequeños siendo el ruido un grado de libertad». «Es decir, que podemos manejar a nuestro antojo», precisa el doctor en física.
«Pasamos de un estado a otro instantáneamente»
El estudio parte de la observación de cambios de estados de materia a niveles microscópicos. «En Neqliq nos centramos en los procesos de no-equilibrio de sistemas donde podemos controlar la amplitud y coherencia del ruido gracias a microesferas de cristal inmersas en fluidos críticos», explica Martínez, precisando que se trata de transiciones de fase «un poco diferentes a ver un pedazo de hielo derretirse en un refresco, ya que no existe un punto de coexistencia, sino que pasamos de un estado a otro instantáneamente».
«Este tipo de sistemas, llamados sistemas críticos, son muy interesantes ya que el sistema anticipa el estado que está por llegar, amplificando la amplitud y coherencia del ruido ambiental varios ordenes de magnitud. A su vez, son sistemas extremadamente flexibles y resistentes ante perturbaciones externas, habiéndose hipotetizado en su papel clave en la materia viva», apunta.
A través de la observación del fenómeno, el equipo de investigación persigue discernir como afecta el ruido termodinámico a los sistemas microscópicos en infinidad de ámbitos. «Uno de las claves de los sistemas críticos es su universalidad, es decir, podemos encontrar sistemas muy diferentes en su composición o tamaño comportándose exactamente igual».
«Los resultados de Neqliq podrían ser aplicados a sistemas donde el ruido sea inevitable, ya que nos centramos en fenómenos universales. En la Naturaleza, muchas veces es todo lo mismo todo el rato. Se denominan universalidades, fenómenos que se repiten a cada escala y que nos permite intercambiar soluciones entre sistemas muy diferentes», plantea el científico castellanomanchego.
Bajo esta premisa, se plantea la posibilidad de emplear el ruido térmico como una herramienta y no como un impedimento en cualquier sistema con fluctuaciones, es decir, donde dos sistemas de diferente tamaño entran en conflicto.
Aplicaciones en la miniaturización
Los resultados de la investigación pueden resultar claves para el desarrollo de tecnología miniaturizada, «uno de los principales desafíos de nuestra época».
«Comprender la termodinámica de sistemas pequeños es crucial para mejorar la eficiencia y reducir el consumo de energía mediante dispositivos cada vez más diminutos y rápidos. El objetivo es poder cosechar todas estas fluctuaciones ambientales para aprovechar esa energía», señala en este punto, apuntando a las aplicaciones en el diseño y construcción dispositivos nanométricos con aplicaciones en medicina o ingeniería.
Junto a las aplicaciones en el desarrollo tecnológico, el investigador destaca los avances en la comprensión de sistemas biológicos, como «entender los procesos biofísicos intra o intercelulares».
Un funcionamiento distinto que a niveles macroscópicos
Frente al universo de posibilidades que se abren, el doctor en física apunta a los retos que plantea la comprensión del funcionamiento de los sistemas a nivel microscópico y mesoscópico.
«Los sistemas en esta escala, llamada mesoscópica, trabajan entre las reglas de la física clásica y la cuántica, donde efectos como el movimiento browniano y las fluctuaciones térmicas inducen a aparentes violaciones de las leyes macroscópica de la termodinámica», plantea. «Es como si la Naturaleza en este tamaño estuviese jugando continuamente a los dados».
Una escala distinta que, sin embargo, permite aplicar la técnica de la trampa óptica, que sería imposible a niveles macroscópicos. «La luz tiene energía, la notamos cuando nos calentamos al tomar el sol, pero también ejerce una fuerza, aunque no la notemos empujarnos contra nuestra sombra. Esta fuerza, aunque despreciable en nuestra escala, la podemos emplear mediante haces láser para atrapar, mover y medir objetos con precisión a nivel nanométrico y microsegundo en el mundo mesoscópico», señala.
Esta técnica hizo merecedor del premio Nobel a Arthur Ashkin en 2018, reconociendo la importancia de una herramienta que nos permite interactuar con el interior de una celula sin dañala.