Tesis doctoral de Ignacio Aquilino Martínez Sánchez
Casi dos siglos después de la observación de robert brown, el estudio de sistemas gobernados por ruido se ha convertido en una parte significativa de la física moderna. Con el objetivo de obtener información, y de tratar de predecir, sistemas complejos, se han trazado analogías en situaciones muy diversas, tales como el mercado de valores, las relaciones interpersonales, los ecosistemas, etc. En particular, si nos detenemos en los denominados como sistemas pequeños, podemos observar como las fluctuaciones térmicas determinan su dinámica y su energética. Al tratarse de sistemas cuyos intercambios de energía con el entorno son del orden de magnitud de las fluctuaciones, podemos observar aparentes violaciones de las leyes clásicas de la termodinámica. Ejemplos de esta escala son las diversas biomoléculas como el adn o el arn, los diversos motores moleculares o una célula en su conjunto, pasando por partículas coloidales en suspensión. para el estudio de los sistemas mesoscópicos, hemos usado la técnica de la pinza óptica, la cual nos permite ejercer fuerzas del orden de piconewtons con resolución nanométrica. Por medio de un haz fuertemente enfocado, podemos crear un potencial óptico donde objetos con índice de refracción mayor que el del medio son atrapados.En esta tesis hemos estudiado el rol del ruido en sistemas biológicos y en sistemas físicos. En primer lugar, observamos que la dinámica estacionaria de una molécula individual de adn en el régimen entrópico (fuerzas por debajo de 5 pn) muestra una componente espectral que sigue una ley de potencias. Por otra parte, también estudiamos la trayectoria de bacterias bajo una única trampa óptica. La bacteria elegida fue la salmonella enterica, en diversas mutaciones para poder fijar su fenotipo. En particular, además de validar la técnica, caracterizamos el fenotipo del mutante chev en condiciones anaeróbicas. el control de la temperatura en experimentos de partículas coloidales es de una importancia clave para completar la energética de los sistemas pequeños. A pesar de que existen métodos para variar la temperatura del fluido, estos cambios están siempre acotados por límites físicos, como evaporación, y sufren de inconvenientes, como convección y cambios de la viscosidad del fluido, que impiden un estudio cómodo de los procesos no isotermos. Enunciamos una hipótesis muy sencilla: nuestra partícula coloidal es incapaz de diferenciar entre el ruido térmico y un fuerza externa de la misma naturaleza. Comprobamos que nuestra hipótesis es correcta en equilibrio y no equilibrio, por medio del estudio del histograma de posiciones, del psd e implementando un protocolo donde poder estudiar el teorema de crooks. la aplicación más obvia de esta técnica es la realización de procesos noisotermos. Dentro de ellos, es imprescindible la aproximación al concepto de adiabaticidad, tan presentes en la termodinámica clásica. Siendo imposible rodear de paredes adibáticas nuestro sistema, desarrollamos los diversos protocolos sugeridos durante los últimos 10 años en la literatura. Como colofón, desarrollamos el primer ciclo de carnot experimental con partículas coloidales. El efecto del baño térmico también se encuentra presente en la termodinámica de la información. en el último capítulo de la tesis, desarrollamos una expresión analítica que relaciona la probabilidad de llevar a cabo un proceso con la energía que se puede extraer del baño térmico durante el mismo. Esta expresión puede considerarse una generalización del principio de landauer. Gracias a la flexibilidad que nos presta el aod para generar potenciales ópticos, comprobamos la relación con un experimento con partículas coloidales. Para terminar, presentamos un motor de szilard con partículas coloidales, el cual permite obtener trabajo del baño térmico a través de la información disponible sobre el sistema.
Datos académicos de la tesis doctoral «Noise assisted effects in physics and biophysics studied by the optical trapping technique«
- Título de la tesis: Noise assisted effects in physics and biophysics studied by the optical trapping technique
- Autor: Ignacio Aquilino Martínez Sánchez
- Universidad: Politécnica de catalunya
- Fecha de lectura de la tesis: 25/04/2014
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Dimitri Petrov
- Tribunal
- Presidente del tribunal: sergio Ciliberto
- felix Ritort farran (vocal)
- (vocal)
- (vocal)