Objetos con tamaños en el rango nanométrico, como los componentes moleculares de las células vivas o los dispositivos nanotecnológicos, están continuamente expuestos a colisiones aleatorias con las moléculas circundantes. En entornos tan fluctuantes, es necesario reescribir las leyes fundamentales de la termodinámica que gobiernan nuestro mundo macroscópico. Un equipo internacional de investigadores de Barcelona, Zurich y Viena encontraron que una nanopartícula atrapada con luz láser viola temporalmente la famosa segunda ley de la termodinámica, algo que es imposible en una escala humana de tiempo y longitud.

Informan sobre sus resultados en el último número de la prestigiosa revista científica Nanotecnología de la naturaleza .

Sorpresas a nanoescala

Ver una película al revés a menudo nos hace reír porque parecen suceder cosas inesperadas y misteriosas:fragmentos de vidrio que yacen en el suelo comienzan a moverse lentamente uno hacia el otro, mágicamente se ensambla y de repente un vaso intacto salta sobre la mesa donde se detiene suavemente. O la nieve comienza a salir de un charco de agua al sol, creciendo constantemente hasta que todo un muñeco de nieve aparece como moldeado por una mano invisible. Cuando vemos esas escenas, Inmediatamente nos damos cuenta de que, según nuestra experiencia cotidiana, algo está fuera de lo común. En efecto, hay muchos procesos en la naturaleza que nunca pueden revertirse. La ley física que captura este comportamiento es la célebre segunda ley de la termodinámica, que postula que la entropía de un sistema, una medida del desorden de un sistema, nunca disminuye espontáneamente, favoreciendo así el desorden (alta entropía) sobre el orden (baja entropía).

Sin embargo, cuando nos acercamos al mundo microscópico de átomos y moléculas, esta ley se suaviza y pierde su rigor absoluto. En efecto, a nanoescala, la segunda ley puede violarse fugazmente. En raras ocasiones, uno puede observar eventos que nunca suceden en la escala macroscópica como, por ejemplo, la transferencia de calor de frío a caliente, algo inaudito en nuestra vida diaria. Aunque en promedio la segunda ley de la termodinámica sigue siendo válida incluso en sistemas a nanoescala, Los científicos están intrigados por estos eventos raros y están investigando el significado de la irreversibilidad a nanoescala.

Nanopartículas en trampas láser

Recientemente, un equipo de físicos de la Universidad de Viena, el Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona y el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich lograron predecir con precisión la probabilidad de eventos que violaran transitoriamente la segunda ley de la termodinámica. Inmediatamente pusieron a prueba el teorema de fluctuación matemática que derivaron utilizando una pequeña esfera de vidrio con un diámetro de menos de 100 nm que levitaba en una trampa de luz láser. Su configuración experimental permitió al equipo de investigación capturar la nanoesfera y mantenerla en su lugar, y, es más, para medir su posición en las tres direcciones espaciales con exquisita precisión. En la trampa, la nanoesfera vibra debido a las colisiones con las moléculas de gas circundantes. Mediante una manipulación inteligente de la trampa láser, los científicos enfriaron la nanoesfera por debajo de la temperatura del gas circundante y, de este modo, ponerlo en un estado de no equilibrio. Luego apagaron el enfriamiento y observaron cómo la partícula se relajaba a la temperatura más alta a través de la transferencia de energía de las moléculas de gas. Los investigadores observaron que la pequeña esfera de vidrio a veces, aunque raramente, no se comporta como cabría esperar de acuerdo con la segunda ley:la nanoesfera libera calor de manera efectiva a los alrededores más calientes en lugar de absorber el calor. La teoría derivada por los investigadores para analizar el experimento confirma la imagen emergente sobre las limitaciones de la segunda ley a nanoescala.

Nanomáquinas fuera de equilibrio

El marco experimental y teórico presentado por el equipo de investigación internacional en la reconocida revista científica Nanotecnología de la naturaleza tiene una amplia gama de aplicaciones. Objetos con tamaños en el rango nanométrico, como los componentes moleculares de las células vivas o los dispositivos nanotecnológicos, están continuamente expuestos a golpes aleatorios debido al movimiento térmico de las moléculas que los rodean. A medida que la miniaturización avanza a escalas cada vez más pequeñas, las nanomáquinas experimentarán condiciones cada vez más aleatorias. Se llevarán a cabo más estudios para iluminar la física fundamental de los sistemas a nanoescala fuera de equilibrio. La investigación planificada será fundamental para ayudarnos a comprender cómo funcionan las nanomáquinas en estas condiciones fluctuantes.