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Mar 31 2014

Una nanoesfera levitando incumple la segunda ley de la termodinámica

[Fuente de la noticia: Agencia Sinc]

Ilustración de una nanopartícula atrapada por un láser. / Iñaki Gonzalez y Jan Gieseler/Agencia Sinc
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.
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.
[Fuente de la noticia: Agencia Sinc]

2 comentarios

  1. Mauricio Frapiccini

    Fran te hago una consulta: Imagina que en el espacio exterior lejos de cualquier galaxia tenemos una varilla de diamante de 1cm cuadrado de cara y unos 1 kilómetro de longitud:
    Si yo empujo un extremo de la varilla y la desplazo 10 cmts: En la otra punta a 100 km de distancia ¿el desplazamiento es instantáneo??
    Es decir: ¿se transmitió el movimiento más rápido que la luz?
    Saludos y gracias por tu paciencia.

    1. Francisco Sevilla

      Hola Mauricio,

      No, no se transmitiría más rápido que la luz. Por muy resistente y rígido que elijas el material de la varilla, el momento que tu transmites a un extremo, debe pasar de átomo en átomo hasta el otro extremo, y la interacción entre átomos se hace mediante el campo electromagnético, el cual no puede transmitir perturbaciones a velocidades superiores al de la luz (lo transmite exactamente a esa velocidad).

      Por lo cual el otro extremo se desplazaría como mínimo al de (100 kms / 300.000 kms/s) = 0,00033333 segundos. Y digo 'como mínimo' pues existiría un lapso de tiempo a considerar (aunque sería muy breve y dependiente del material) en cada átomo absorbería la energía y la volvería a disipar -imagínate un muelle que lo comprimes, al soltarlo no vuelve a su posición original instantaneamente-.

      Saludos,

      Fran

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