Nanopartikler fanget med laserlys overtræder midlertidigt termodynamikkens anden lov

Objekter med størrelser i nanometerområdet, såsom de molekylære byggesten i levende celler eller nanoteknologiske anordninger, udsættes løbende for tilfældige kollisioner med omgivende molekyler. I sådanne fluktuerende miljøer skal termodynamikkens grundlæggende love, der styrer vores makroskopiske verden, omskrives. Et internationalt team af forskere fra Barcelona, Zürich og Wien fandt ud af, at en nanopartikel fanget med laserlys midlertidigt overtræder den berømte anden lov om termodynamik, noget, der er umuligt på menneskelig tid og længdeskala.

De rapporterer om deres resultater i det seneste nummer af det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Naturnanoteknologi .

Overraskelser på nanoskala

At se en film afspillet baglæns får os ofte til at grine, fordi uventede og mystiske ting ser ud til at ske:glasskår, der ligger på gulvet, begynder langsomt at bevæge sig mod hinanden, samles på magisk vis og pludselig hopper et intakt glas på bordet, hvor det forsigtigt stopper. Eller sne begynder at komme fra en vandpyt i solen, støt voksende, indtil en hel snemand dukker op, som om den var støbt af en usynlig hånd. Når vi ser sådanne scener, vi indser straks, at ifølge vores hverdagserfaring er noget ud over det sædvanlige. Ja, der er mange processer i naturen, som aldrig kan vendes. Den fysiske lov, der fanger denne adfærd, er termodynamikkens berømte anden lov, som hævder, at entropien af ​​et system – et mål for uorden i et system – aldrig falder spontant, favoriserer således uorden (høj entropi) frem for orden (lav entropi).

Imidlertid, når vi zoomer ind i den mikroskopiske verden af ​​atomer og molekyler, denne lov bløder op og mister sin absolutte strenghed. Ja, på nanoskalaen kan den anden lov overtrædes flygtigt. I sjældne tilfælde, man kan observere hændelser, der aldrig sker på den makroskopiske skala, såsom, for eksempel varmeoverførsel fra koldt til varmt, hvilket er uhørt i vores dagligdag. Selvom termodynamikkens anden lov i gennemsnit forbliver gyldig selv i nanoskalasystemer, forskere er fascineret af disse sjældne hændelser og undersøger betydningen af ​​irreversibilitet på nanoskalaen.

Nanopartikler i laserfælder

For nylig, et team af fysikere fra universitetet i Wien, det lykkedes instituttet for fotoniske videnskaber i Barcelona og det schweiziske føderale teknologiske institut i Zürich præcist at forudsige sandsynligheden for, at begivenheder forbigående overtrådte den anden lov om termodynamik. De satte straks den matematiske fluktuationssætning, de udledte, på prøve ved hjælp af en lille glaskugle med en diameter på mindre end 100 nm svævet i en fælde af laserlys. Deres eksperimentelle opsætning gjorde det muligt for forskerholdet at fange nano-sfæren og holde den på plads, og, desuden, at måle sin position i alle tre rumlige retninger med udsøgt præcision. I fælden, nano-sfæren rasler rundt på grund af kollisioner med omgivende gasmolekyler. Ved en smart manipulation af laserfælden afkølede forskerne nano-sfæren under temperaturen af ​​den omgivende gas og, derved, sætte det i en ikke-ligevægtstilstand. De slukkede derefter for kølingen og så partiklen slappe af til den højere temperatur gennem energioverførsel fra gasmolekylerne. Forskerne observerede, at den lille glaskugle nogle gange, selvom det er sjældent, opfører sig ikke, som man ville forvente ifølge den anden lov:nano-sfæren frigiver effektivt varme til de varmere omgivelser frem for at absorbere varmen. Teorien udledt af forskerne til at analysere eksperimentet bekræfter det nye billede af begrænsningerne af den anden lov på nanoskalaen.

Nanomaskiner ude af ligevægt

De eksperimentelle og teoretiske rammer præsenteret af det internationale forskerhold i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Naturnanoteknologi har en bred vifte af anvendelser. Objekter med størrelser i nanometerområdet, såsom de molekylære byggesten i levende celler eller nanoteknologiske anordninger, udsættes kontinuerligt for en tilfældig buffering på grund af den termiske bevægelse af molekylerne omkring dem. Efterhånden som miniaturiseringen skrider frem til mindre og mindre skalaer, vil nanomaskiner opleve stadig mere tilfældige forhold. Yderligere undersøgelser vil blive udført for at belyse den grundlæggende fysik af nanoskalasystemer ude af ligevægt. Den planlagte forskning vil være grundlæggende for at hjælpe os med at forstå, hvordan nanomaskiner fungerer under disse svingende forhold.