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Un equipo alemán logra medir la «fuerza Casimir crítica» en una disolución acuosa, que es un análogo clásico al efecto Casimir habitual basado en las fluctuaciones cuánticas del vacío.

Un haz de luz (en rojo) se refleja dentro de la pared de vidrio (en azul) . Sus ondas evanescentes pueden detectar la esfera. Foto: Ingrid Schofron, I. Max Planck.

El vacío no es la nada. El vacío tiene propiedades y éstas pueden ejercer su influencia. Si colocamos muy próximas dos placas metálicas en el vacío aparece una fuerza que tiende a juntarlas, es el efecto Casimir. En realidad este efecto es minúsculo, si no lo fuera sería incluso concebible extraer energía del vacío. Sin embargo este efecto puede resultar un engorro si estamos trabajando con dispositivos nanomecánicos. Una maquinaría cuyos componentes sean del orden del nanometro puede atascarse debido a este tipo de efectos.
Ahora científicos del Instituto Max Planck y de la Universidad de Stuttgart han conseguido observar una fuerza similar, de carácter clásico y predicha hace décadas, en una mezcla de dos líquidos. Además han encontrado una manera de invertir el efecto de la fuerza de tal modo que las futuras nanomáquinas no se bloqueen, permitiendo una mayor miniaturización.
La fuerza que hace que las dos placas se vean atraídas en el efecto Casimir proviene de un efecto mecánico cuántico. El vacío en mecánica cuántica no es un espacio-tiempo vacío de todo. En él hay partículas virtuales, fluctuaciones del vacío, que se crean y destruyen en una fracción de segundo. Estas fluctuaciones pueden ser de naturaleza electromagnética y pueden interaccionar con las placas. El espacio comprendido entre las placas contiene pocas fluctuaciones electromagnéticas comparadas con el resto del espacio y éstas últimas consiguen empujar las placas debido a que la presión de radiación de las del interior es menor. En el lenguaje de la Física no todos los modos de vibración están permitidos en el interior, y sólo las oscilaciones resonantes cuyos múltiplos longitud de onda encajan en la distancia interplaca sobreviven, suprimiéndose las frecuencias no resonantes.
Hendrik Casimir predijo el efecto en 1948 y por eso el efecto lleva su nombre. Este efecto es la razón por la cual los componentes de las nanomáquinas se adhieran los unos a los otros.
Clemens Bechinger, profesor en la Universidad de Stuttgard, y sus colaboradores observaron una fuerza similar al efecto Casimir en experimentos en los que se mezclaba aceite (lutidina) y agua. La nueva fuerza, denominada fuerza Casimir crítica, es muy débil y, por tanto, difícil de detectar. Aun así, los resultados concuerdan muy bien con los valores que Siegfried Dietrich y su equipo del Max Planck predijeron.
La fuerza Casimir crítica toma su nombre del hecho de que se da cerca del punto crítico. A bajas temperaturas la mezcla de agua y lutidina forma una disolución. Sin embargo si la disolución es calentada hasta los 34 grados centígrados se transforma en dos mezclas separadas o fases: una con alto contenido en agua (fase acuosa) y otra con alto contenido en lutidina (fase aceitosa).
La temperatura a la que sucede esto se denomina temperatura crítica. Las dos fases no aparecen de manera abrupta como sucede en otras ocasiones (como el hielo a partir del agua) al alcanzar esa temperatura. Por debajo de la temperatura crítica aparecen en la disolución regiones fluctuantes en las que hay más cantidad de uno de los componentes. Conforme la temperatura se acerca al punto crítico las áreas fluctuantes crecen y crecen permaneciendo estables. La manera en la que la concentración de agua y lutidina fluctúa es similar a las fluctuaciones mecánico cuánticas del vacío. Los investigadores han demostrado que estas fluctuaciones en la concentración deben de crear una atracción entre las superficies de una manera similar a como lo hacen las fluctuaciones mecánico cuánticas electromagnéticas del vacío en el efecto Casimir habitual.
Consiguieron observar una esfera de plástico de una micra de diámetro flotando en un vaso de vidrio con la mezcla de agua y lutidina. Al principio la temperatura estaba muy por debajo de la crítica. Luego iban calentando el líquido de manera gradual hasta que a 0,2 grados centígrados de la temperatura crítica la esfera se movió hacia la superficie de vidrio.
Para determinar la distancia entre la esfera y la superficie vidrio usaron óptica de campo evanescente. Iluminaron el vidrio con un haz de luz orientado de tal modo que se producía reflexión total. De este modo sólo una pequeña parte del haz de luz entraba en el líquido en una región muy cercana a la superficie. Un objeto (en este caso la esfera) dentro de esa región difunde más o menos la luz dependiendo de lo cerca o lejos que se encuentre de la superficie.
Consiguieron medir la distancia entre la esfera y la superficie de vidrio y calcular la fuerza implicada. Debido a las constantes colisiones entre la esfera y las moléculas del líquido la trayectoria de la esfera es errática, el efecto de la fuerza de Casimir crítica era una contribución neta hacía la superficie, manifestándose como un efecto estadístico.
Según los investigadores, este método es varios miles de veces más sensible que un microscopio de fuerza atómica. En este caso la fuerza de Casimir crítica medida es del orden de 600 femtonewtons, o lo que es lo mismo: menos de una millonésima del peso de una pulga. Este efecto fue predicho en 1978, pero hasta ahora no se tenía una técnica lo suficientemente sensible que permitiera medirlo. Los resultados han sido justo los que el cálculo teórico había predicho.
La atracción se da sólo cuando tanto la superficie de la esfera como la del vaso son o bien hidrófilas (atraen el agua y repelen el aceite) o bien hidrófugas (repelen el agua y atraen el aceite). Si una de las superficies es distinta naturaleza a la otra en este aspecto, se produce una repulsión en lugar de la atracción. En este caso se producen a cada lado regiones fluctuantes de distinto signo (fases aceitosa y acuosa) , y como se necesita energía para hacer contacto entre las fase acuosa de la aceitosa, la esfera es repelida de la superficie.
Los investigadores esperan que este resultado ayude al buen funcionamiento de las nanomáquinas. Quizás algunas de estas máquinas se empleen en medicina en un futuro.
Sin embargo, una de las razones por las que estos dispositivos no funcionan se debe al efecto Casimir cuántico habitual debido a las fluctuaciones cuánticas del vacío. Pero si alguna de estas máquinas tiene que trabajar en una mezcla de líquidos en lugar de en el vacío, se podría recubrir sus componentes con moléculas hidrófilas o hidrófugas para hacer que funcionara mejor.

Fuentes y referencias:
Instituto Max Planck.
Resumen en Nature.