domingo, 30 de marzo de 2014

Una nanoesfera levitando incumple la segunda ley de la termodinámica

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.

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.


Enlace original: SINC.

8 comentarios:

  1. Imagino que en una escala de tiempo determinada la entropia absoluta es positiva, por que la segunda ley sigue cumpliéndose.

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    1. Lo que ocurre es similar a lo que pasaba con las Leyes de Newton. A grandes rasgos se cumplen pero en pequeños detalles fallaban. Estos detalles fueron suplidos por la Teoría de la Relatividad. Analizando los casos en los que el segundo principio de la termodinámica no se cumple, daremos un gran paso adelante en el conocimiento de las leyes de la física.

      Un saludo!

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    2. muy cierto, como dicen todo tiene un pero en determinado instante.

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    3. Ni las leyes de Newton fallaban en pequeños detalles (eran algo más grandes), ni fueron suplidos por la teoría de la relatividad (que no es única, por cierto; fueron *corregidos* por la teoría de la relatividad especial, y la gravitación, por la teoría de la relatividad general), ni se incumple el segundo principio de la termodinámica. En el equilibrio la ley se mantiene; nadie niega que pueda haber fluctuaciones.

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    4. Las leyes de Newton no podían explicar fenómenos como la precesión del perihelio de Mercurio. Hasta que Einstein no desarrolló sus teorías los científicos no pudieron explicarlo. http://users.df.uba.ar/sgil/physics_paper_doc/papers_phys/cosmo/relatividad1.pdf

      Es por ello que mantengo que comprender este tipo de "fluctuaciones" nos puede ayudar a dar explicación a los fenómenos que hoy en día no comprendemos.


      Un saludo!

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    5. Hola,
      Estoy totalmente de acuerdo con Verónica. Newton propuso unas leyes para la gravedad imcompletas y que como se demostró posteriormente no podían explicar todos los fenómenos, ni siquiera era capaz de explicar qué era realmente la gravedad.
      Lo mismo ocurre con la teoría de la relatividad general de Einstein, a pesar de cubrir un espectro mayor de fenómenos, no cubre todos, y nuevamente se queda incompleta en cuanto a explicar que es realmente la gravedad y como se transmite, más allá de considerarlo como una deformación del espacio-tiempo.
      Este tipo de experimentos realmente son muy importantes para comprender mejor el mundo que nos rodea.
      Un saludo!
      Fran

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  2. Saludos

    ¿Usted cree que sea posible conseguir y comunicar el paper de donde salió ésta información?
    Estoy buscando un tema de exposición interesante relacionado con los procesos termodinámicos, sería de gran ayuda tener la referencia.

    Gracias

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    1. Buenas tardes:

      En este enlace puedes conseguir más información : http://www.eurekalert.org/pub_releases/2014-03/uov-nsn033114.php

      Y si visitas la Universidad de Wien encontrarás la noticia original: http://medienportal.univie.ac.at/presse/aktuelle-pressemeldungen/detailansicht/artikel/never-say-never-in-the-nano-world/

      En ambos enlace tienes las direcciones de los autores para poder contactar con ellos. ¡Mucha suerte!

      Un saludo!

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