La segunda ley de la termodinámica en el nanomundo

Los objetos con tamaños en el rango nanométrico, tales como los bloques moleculares de construcción de las células vivas o los dispositivos nanotecnológicos, continuamente están expuestos a colisiones aleatorias con las moléculas circundantes. En tales ambientes fluctuantes, las leyes fundamentales de la termodinámica, que rigen nuestro mundo macroscópico, no necesariamente se aplican.

Un equipo internacional de investigadores de Barcelona, Zurich y Viena encontró que una nanopartícula atrapada con luz láser viola temporalmente segunda ley de la termodinámica, algo que es imposible a escala humana.

A menudo

Impresión artística de una nanopartícula en una trampa de luz láser. Crédito: Iñaki González y Jan Gieseler

Impresión artística de una nanopartícula en una trampa de luz láser. Crédito: Iñaki González y Jan Gieseler

reímos al ver una película que se reproduce en reversa, ya que parecen ocurrir eventos inesperados y misteriosos: los fragmentos de vidrio en el suelo lentamente comienzan a moverse uno hacia el otro, y por arte de magia, de repente, un vaso intacto salta sobre la mesa. O se comienza a formar nieve partir de un charco de agua en el sol, que crece constantemente hasta que aparece un muñeco de nieve que parece haber sido moldeado por una mano invisible. Cuando vemos este tipo de escenas nos damos cuenta de inmediato que de acuerdo con nuestra experiencia cotidiana algo está fuera de lugar. De hecho, hay muchos procesos en la naturaleza que nunca se pueden revertir. La ley física que captura este comportamiento es la famosa segunda ley de la termodinámica, que postula que la entropía de un sistema – una medida del desorden de un sistema – nunca disminuye de forma espontánea, y que favorece al desorden (alta entropía) sobre el orden (baja entropía).

Sin embargo, cuando nos acercamos al mundo microscópico de los átomos y las moléculas, esta ley se ablanda y pierde su rigor absoluto. De hecho, en la nanoescala la segunda ley se puede violar fugazmente. En raras ocasiones se pueden observar eventos que nunca ocurren en la escala macroscópica, como por ejemplo que un lugar se vuelva más frío a expensas de uno cálido, algo que nunca sucede en nuestra vida cotidiana. Aunque, en promedio, la segunda ley de la termodinámica es válida incluso en sistemas de escala nanométrica, los científicos están intrigados por estos eventos raros, y están investigando el significado de irreversibilidad en la nanoescala.

Nanopartículas en una trampa de luz láser

Recientemente, un equipo de físicos de la Universidad de Viena, del Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona y del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zurich, logró predecir con exactitud la probabilidad de eventos que violan de forma transitoria la segunda ley de termodinámica. Inmediatamente probaron el teorema de fluctuación matemática que derivaron con una pequeña esfera de cristal con un diámetro de menos de 100 nm, que hicieron levitar en una trampa de la luz láser. Su experimento permitió capturar la nanoesfera y mantenerla en su lugar, y, además, medir su posición en las tres direcciones espaciales con una precisión exquisita. En la trampa, la nanoesfera se sacudía debido a colisiones con las moléculas de gas de los alrededores. Por una hábil manipulación de la trampa láser, los científicos enfriaron la nanoesfera por debajo de la temperatura del gas que la rodeaba y, por lo tanto, la llevaron a un estado de no-equilibrio. Luego la dejaron de enfriar y observaron a medida que la partícula se relajaba hacia la mayor temperatura, a través de la transferencia de energía de las moléculas de gas. Los investigadores observaron que la esfera, a veces, aunque raramente, no se comportaba como cabría esperar de acuerdo con la segunda ley: la nanoesfera efectivamente liberaba calor a los alrededores más calientes en lugar de absorber el calor. La teoría derivada por los investigadores para analizar el experimento confirma las limitaciones de la segunda ley en la nanoescala.

Nanomáquinas fuera de equilibrio

El marco teórico y experimental presentado por el equipo de investigación internacional tiene una amplia gama de aplicaciones. Los objetos con tamaños en el rango nanométrico, como los bloques moleculares de construcción de las células vivas o los dispositivos nanotecnológicos, están expuestos continuamente a un embate al azar debido al movimiento térmico de las moléculas de su alrededor. A medida que la miniaturización continua a escalas cada vez más pequeñas, las nanomáquinas experimentarán condiciones cada vez más aleatorias.

Como un paso próximo, los científicos llevarán a cabo estudios adicionales para entender la física fundamental de los sistemas de nanoescala fuera de equilibrio. La investigación planificada será fundamental para ayudarnos a comprender el comportamiento de las nanomáquinas en esas condiciones fluctuantes.

Artículo científico: Jan Gieseler, Romain Quidant, Christoph Dellago, and Lukas Novotny. Dynamic Relaxation of a Levitated Nanoparticle from a Non-Equilibrium Steady State. Nature Nanotechnology (2014), doi: 10.1038/NNANO.2014.40

Fuente: Universität Wien

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