Objekt med storlekar inom nanometerområdet, såsom molekylära byggstenar i levande celler eller nanoteknologiska enheter, utsätts kontinuerligt för slumpmässiga kollisioner med omgivande molekyler. I sådana fluktuerande miljöer behöver termodynamikens grundläggande lagar som styr vår makroskopiska värld skrivas om. Ett internationellt team av forskare från Barcelona, Zürich och Wien fann att en nanopartikel fångad med laserljus tillfälligt bryter mot termodynamikens berömda andra lag, något som är omöjligt på mänsklig tids- och längdskala.

De rapporterar om sina resultat i senaste numret av den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Naturens nanoteknik .

Överraskningar på nanoskala

Att titta på en film som spelas omvänt får oss ofta att skratta eftersom oväntade och mystiska saker verkar hända:glasskärvor som ligger på golvet börjar sakta röra sig mot varandra, monteras på ett magiskt sätt och plötsligt hoppar ett intakt glas på bordet där det försiktigt stannar. Eller snön börjar komma från en vattenpöl i solen, växer stadigt tills en hel snögubbe ser ut som gjuten av en osynlig hand. När vi ser sådana scener, vi inser genast att enligt vår vardagliga erfarenhet är något utöver det vanliga. Verkligen, det finns många processer i naturen som aldrig kan vändas. Den fysiska lagen som fångar detta beteende är termodynamikens berömda andra lag, vilket påstår att entropin i ett system - ett mått på störningen av ett system - aldrig minskar spontant, gynnar alltså störning (hög entropi) framför ordning (låg entropi).

Dock, när vi zoomar in i den mikroskopiska världen av atomer och molekyler, denna lag mjuknar upp och förlorar sin absoluta stränghet. Verkligen, på nanoskalan kan den andra lagen överträdas flyktigt. Vid sällsynta tillfällen, man kan observera händelser som aldrig händer i makroskopisk skala, t.ex. till exempel värmeöverföring från kallt till varmt vilket är ovanligt i våra dagliga liv. Även om termodynamikens andra lag i genomsnitt förblir giltig även i system i nanoskala, forskare är fascinerade av dessa sällsynta händelser och undersöker innebörden av irreversibilitet på nanoskala.

Nanopartiklar i laserfällor

Nyligen, ett team av fysiker vid universitetet i Wien, Institutet för fotoniska vetenskaper i Barcelona och det schweiziska federala tekniska institutet i Zürich lyckades exakt förutsäga sannolikheten för händelser som tillfälligt bryter mot termodynamikens andra lag. De satte omedelbart den matematiska fluktuationssatsen som de härledde till testet med en liten glaskula med en diameter mindre än 100 nm svävande i en fälla av laserljus. Deras experimentella upplägg tillät forskargruppen att fånga nanosfären och hålla den på plats, och, vidare, att mäta dess position i alla tre rumsliga riktningar med utsökt precision. I fällan, nanosfären skramlar runt på grund av kollisioner med omgivande gasmolekyler. Genom en smart manipulation av laserfällan kylde forskarna nanosfären under temperaturen på den omgivande gasen och, vari, sätta den i ett icke-jämviktstillstånd. De stängde sedan av kylningen och såg partikeln slappna av till den högre temperaturen genom energiöverföring från gasmolekylerna. Forskarna observerade att den lilla glassfären ibland, fast sällan, beter sig inte som man skulle förvänta sig enligt den andra lagen:nanosfären släpper effektivt ut värme till den varmare omgivningen snarare än att absorbera värmen. Teorin som forskarna tog fram för att analysera experimentet bekräftar den framväxande bilden av begränsningarna i den andra lagen på nanoskala.

Nanomaskiner ur jämvikt

Den experimentella och teoretiska ram som presenteras av det internationella forskarteamet i den välrenommerade vetenskapliga tidskriften Naturens nanoteknik har ett brett användningsområde. Objekt med storlekar i nanometerområdet, såsom molekylära byggstenar i levande celler eller nanoteknologiska enheter, utsätts kontinuerligt för en slumpmässig stöt på grund av den termiska rörelsen hos molekylerna runt dem. När miniatyriseringen fortsätter till mindre och mindre skalor kommer nanomaskiner att uppleva allt mer slumpmässiga förhållanden. Ytterligare studier kommer att genomföras för att belysa den grundläggande fysiken i nanoskalasystem ur jämvikt. Den planerade forskningen kommer att vara grundläggande för att hjälpa oss förstå hur nanomaskiner fungerar under dessa fluktuerande förhållanden.