Actualmente las técnicas de micromanipulación óptica juegan un papel importante en el desarrollo y resolución de preguntas fundamentales en el campo de la física estadística, la termodinámica fuera del equilibrio, los sistemas dinámicos no lineales y los sistemas biológicos. De manera general, estas técnicas permiten confinar partículas microscópicas, principalmente dieléctricas, en regiones espaciales bien definidas, permitiendo así estudiar sus propiedades físicas o la interacción de éstas con su entorno u otros objetos microscópicos. Este confinamiento espacial se debe principalmente a la aparición de fuerzas conservativas al interactuar las partículas con la luz. En este proyecto proponemos utilizar estas propiedades mecánicas de la interacción entre la luz de un haz láser y partículas microscópicas para generar potenciales de luz periódicos y así estudiar la dinámica de dos sistemas paradigmáticos en el campo de la física estadística y de la termodinámica fuera del equilibrio. En primer lugar nos interesa estudiar el proceso de rectificación de partículas microscópicas brownianas cuando son forzadas a moverse de manera periódica en un potencial asimétrico tipo diente de sierra (potencial ratchet). Otro problema que nos interesa abordar es el fenómeno de transporte de partículas activas sintéticas en potenciales periódicos tanto simétricos como asimétricos. En el primer caso se define un sistema dinámico no autónomo que está sujeto a fuerzas externas dependientes del tiempo y a fuerzas internas que varían de acuerdo a la dinámica del propio sistema, mientras que en el segundo caso se define un sistema autónomo en el que las partículas de interés presentan una dinámica errante fuera del equilibrio termodinámico. Para este último caso se utilizarán partículas activas microscópicas sintéticas que presentan una dinámica simple, caracterizada por desplazamientos balísticos en tiempos cortos y movimiento tipo browniano en tiempos largos. Dadas las propiedades de no equilibrio termodinámico inherentes a estos sistemas, y dado el confinamiento espacial periódico, esperamos observar dinámicas complejas de autoorganización y transporte no lineal, como pueden ser procesos difusivos anómalos, movilidad negativa, segregación de partículas, etc. Este tipo de sistemas cobra relevancia en el campo de la biología si vemos las similitudes que guarda con diversos sistemas celulares y moleculares, como el de transporte de motores moleculares caracterizados por una dinámica autónoma marcada por el proceso de hidrólisis de ATP al avanzar sobre filamentos con estructura periódica. Para la realización de este proyecto será necesario desarrollar estudios fundamentales en áreas diversas de la física: micromanipulación óptica, microhidrodinámica, procesos estocásticos - dinámica browniana -, etc. así como la implementación de métodos para la síntesis de partículas y para la elaboración de muestras coloidales, etc. Para esto, el proyecto a desarrollar planea hacerse en colaboración con otros investigadores del IF-UNAM.

Este proyecto contribuirá a entender los procesos dinámicos que subyacen al transporte de motores brownianos desde un punto de vista teórico y experimental, y con esto vislumbrar nuevas técnicas de control de transporte a nivel microscópico. Esto permitirá que los diferentes actores que participan, tanto los investigadores como los estudiantes, se familiaricen con conceptos y técnicas en áreas diversas de la física, como la termodinámica fuera del equilibrio, sistemas dinámicos, procesos estocásticos, técnicas de micromanipulación óptica y microhidrodinámica. Asimismo, será necesario el desarrollo e implementación de nuevas técnicas para la realización de dichos experimentos. Esto abarca la síntesis de partículas activas, la implemetación de dispositivos de micromanipulación óptica, la implementación computacional de modelos tanto de la dinámica browniana como de las fuerzas ópticas, métodos de microscopía digital y de análisis y procesamiento de imágenes, etc. Los resultados esperados son originales por lo que se publicarán en revistas de alto impacto y serán presentados en foros especializados. Se espera que al menos dos estudiantes de licenciatura o posgrado realicen sus tesis o servicio social dentro del marco de este proyecto.