MATEMÁTICAS, FÍSICA Y QUÍMICA: Física

Nunca digas nunca en el mundo nano

Una nanoesfera levitando incumple la segunda ley de la termodinámica

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Un equipo internacional de investigadores de Barcelona, Zúrich y Viena ha descubierto que una nanopartícula atrapada mediante luz láser viola temporalmente la segunda ley de la termodinámica, algo que es imposible a escalas de tiempo y longitud humanas. En concreto, pueden transferir calor a un gas todavía más caliente.

 

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ICFO | 30 marzo 2014 19:00

<p>Ilustración de una nanopartícula atrapada por un láser. / Iñaki Gonzalez y Jan Gieseler</p>

Ilustración de una nanopartícula atrapada por un láser. / Iñaki Gonzalez y Jan Gieseler

Mirar una película al revés a menudo causa gracia porque sabemos que los procesos en la naturaleza no suelen revertirse. La ley física que explica este comportamiento es la segunda ley de la termodinámica, que postula que la entropía de un sistema, una medida de su desorden, nunca disminuye de forma espontánea. Esto favorece el desorden –alta entropía– frente al orden –baja entropía–.

Sin embargo, cuando nos adentramos en el mundo microscópico de los átomos y las moléculas, esta ley pierde su rigidez absoluta. De hecho, a escalas nano la segunda ley puede ser violada de forma temporal en algunas raras ocasiones, como por ejemplo la transferencia de calor desde un sistema frío a uno caliente.

Ahora un equipo de físicos del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona, el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich (Suiza) y  la Universidad de Viena (Austria) han logrado predecir con exactitud la probabilidad de eventos que violan de forma temporal la segunda ley de la termodinámica.

Los bloques que forman las células o los dispositivos nanotecnológicos están expuestos a colisiones, un ambiente fluctuante donde las leyes de la termodinámica se necesitan reescribir

Idearon un teorema de fluctuación matemática y lo pusieron a prueba utilizando una pequeña esfera de cristal, menor a 100 nm en diámetro, y atrapándola y levitándola mediante luz láser.

De esta forma se logró capturar la nanoesfera y mantenerla levitando en su lugar, así como medir su posición en las tres dimensiones del espacio con extrema precisión. Dentro de la trampa, la nanoesfera se mantiene en movimiento debido a colisiones con las moléculas de gas circundantes.

Utilizando una técnica para manipular la trampa de láser, los científicos lograron enfriar la nanoesfera por debajo de la temperatura del gas circundante, conduciéndola a un estado de inestabilidad. Después apagaron la refrigeración y observaron como la partícula lograba relajarse hacia una mayor temperatura a través de la transferencia de energía desde las moléculas de gas a la esfera.

Sin embargo, observaron que la pequeña esfera de cristal en ocasiones excepcionales no se comporta como debería según la segunda ley de la termodinámica: en vez de absorber calor, lo libera al gas de alrededor, que se encuentra más caliente.

El resultado y el teorema planteado confirma la existencia de limitaciones en la segunda ley a escala nanométrico, y sugiere su revisión. En este nanomundo se mueven objetos como los bloques constituyentes de las células vivas o dispositivos nanotecnológicos, que están expuestos continuamente a un zarandeo aleatorio debido al movimiento térmico de las moléculas que están a su alrededor. Según los autores, el marco teórico y experimental, publicado en la revista Nature Nanotechnology, puede tener aplicaciones en esos campos.

A medida que la miniaturización se acerca cada vez más a escalas nanométricas, las nanomáquinas experimentarán condiciones cada vez más aleatorias. Por tanto, los estudios futuros buscarán entender a fondo la física fundamental de los sistemas a nanoescala fuera de equilibrio. La investigación será fundamental para ayudar a comprender cómo las nanomáquinas se comportan en esas condiciones fluctuantes.

Referencia bibliográfica:

Jan Gieseler, Romain Quidant, Christoph Dellago, Lukas Novotny. “Dynamic Relaxation of a Levitated Nanoparticle from a Non-Equilibrium Steady State”.  Nature Nanotechnology, 30 de marzo de 2014. Doi: 10.1038/NNANO.2014.40.

Zona geográfica: Internacional
Fuente: ICFO

Comentarios

  • Aurelio Grande |31. marzo 2014 12:56:54

    Esto no tiene nada de raro, es algo que también ocurre en los cuerpos macroscópicos; vaya por la novedad!!!

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  • dsb |01. abril 2014 09:16:31

    puedes poner un ejemplo donde suceda macroscópicamente?

    Responder a este comentario

  • VGQRK |02. abril 2014 17:47:58

    No entiendo el primer comentario...
    ¿Donde sucede de forma macroscópica?
    La transferencia de calor siempre ha sido clara hasta ahora: El calor se disipa por naturaleza. Igual está confundiendo términos.. ¿Alguien puede aportar luz? Saludos.

    Responder a este comentario

  • carlos carlin |02. abril 2014 17:49:09

    Un refrigerador tambien transfiere calor desde la parte fria a la caliente, si solo se estudia ese sitema tambien se viola el segundo principio, solo que en realidad la entropia del universo aumenta. Este caso es el mismo.

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    • raul |12. julio 2016 10:57:35

      esto es posible debido a que se realiza un trabajo, no es de manera espontanea.

      Responder a este comentario

  • Azades |02. abril 2014 17:49:21

    Creo qué el Sr. Aurelio Grande "Blofea" al decir que existe en cuerpos macroscópicos o bien no comprendio de que de habla realmente

    Responder a este comentario

  • Osh |03. abril 2014 13:35:03

    La transferencia de calor en un refrigerador se produce a costa de un trabajo externo, cosa que, según plantea el artículo, no ocurre en el sistema de la nanoesfera del experimento. No es en absoluto el mismo caso.

    Responder a este comentario

  • jose luis |04. abril 2014 18:48:37

    El calor siempre es conducido de mayor a menor temperatura, por eso siempre el incremento de entropia sera positivo, lo que dice el articulo en , me parece imposible, es como si del suelo se levantase un objeto hasta la altura del escritorio. Imposible, alguna consideración fue mal tomada

    Responder a este comentario

  • Vicent Climent |09. abril 2014 11:37:08

    El nanómetro es una unidad de longitud adecuada para la escala de átomos y moléculas. Esto significa que la nanoesfera objeto del experimento es de un tamaño "similar" o al menos comparable al de las partículas del gas que la rodea. La transferencia de calor entre ella y las partículas del gas se produce cuando éstas chocan con ella.

    La termodinámica estadística nos aclara que la temperatura indica el valor promedio de la energía cinética (energía térmica) de las partículas de un cuerpo, en este caso del gas. Este carácter estadístico de la temperatura nos permite asegurar que, incluso en el caso de un gas muy caliente, algunas de sus partículas se moverán en algunas ocasiones con poca energía, lentamente. Podríamos decir que se trata de "partículas frías" formando parte de un gas caliente.

    Si la partícula que choca con la nanoesfera tiene mayor energía cinética que ésta, probablemente después del choque parte de la energía de la partícula del gas habrá pasado a la nanoesfera, en forma de calor. Pero si se da el caso contrario, que la partícula del gas fuese una de esas "partículas lentas, o frías", probablemente en el choque pasaría energía de la nanoesfera a la partícula, aún dentro del gas supercaliente. Con esto no se incumpliría la 2ª ley de la Termodinámica.

    Pero no puedo creer que una explicación tan trivial como ésta sea la clave del asunto. Supongo que los investigadores ya la habrán tomado en cuenta y descartado, y que se referirán a algo más serio.

    Responder a este comentario

  • guillermo |24. abril 2014 09:56:45

    Evidentemente no podemos cuestionar unas leyes tan estables como las leyes de la termodinámica. Debemos andar con la misma cautela con la que se operó con los neutrinos superlumínicos-

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  • Sergio Hernandez |19. mayo 2014 09:19:16

    El aumento de entropia y la segda ley de la termodinámica solo se aplica a sistemas macroscópicos, más técnicamente a sistemas "probabilísticos", que viene a decir "con muchísimas partículas". Si trabajas con pocas partículas, la probabilidad de que el sistema pierda entropía puntualmente no es ya nada despreciable y, como pasa en este experimento, puede pasar "de verdad" sin mayor problema.

    El comentario de que esto ya ocurre ne sistemas macroscópicos creo que más bien se refiere a que los efectos cuanticos pueden ser visibles a nvel macro algunas veces, como parece ser que ocurre en la fotosíntesis, pero de aquí a que su entropia disminuya, no creo, en la planta entra seguro -casi casi- que no, pero si solo piensas en "el sistema" como la molécula responsable de la fotosíntesis, puede ser... pero ese sistema no es "probabilístico" orque solo intervienen "pocas2 partículas.

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  • Jose |08. octubre 2017 09:26:38

    http://www.uco.es/hbarra/index.php/blog/410-enfriar-moleculas-mediante-rayos-laser

    Creo que el artículo no describe bien el experimento. Véase el articulo del cual se adjunta link.
    Para empezar habla de una bola de cristal como si de una canica se tratase. Se trata de un cristal molecular muy pequeño. Supongo que su longitud de onda asociada (hipótesis de De Broglie) coincide con la de los láseres (dos no uno) o es un armónico. Entonces en movimiento vibratorio (termico) de esa esa partícula relativamente grande es frenado enfriándose y liberando su energía al medio, pero al mismo tiempo esta siendo confinada entre un campo de fotones (algo parecido a los campos de fuerza de la nave Enterprise de Star Trek) que impedirían que las moléculas circundantes colisionaran con nuestra partícula y le devolviesen la energía perdida.

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