Ne jamais dire jamais dans le nanomonde

Les lois fondamentales de la thermodynamique ne s'appliquent pas aux objets de taille nanométrique de la même manière qu'à notre monde quotidien macroscopique. Une équipe de scientifiques vient de décrire que dans le nanomonde, il peut aussi y avoir un transfert de chaleur d'objets froids vers des objets chauds.

Vue agrandie : piège à laser
Dans les expériences, une minuscule boule de verre (en vert) est maintenue dans un piège de lumière laser. (Image : J. Adam Fenster / Université de Rochester)

Lorsque nous regardons un film à l'envers, des processus inattendus et apparemment mystérieux nous font rire : ainsi, la neige peut se former à partir d'une flaque d'eau au soleil et cro?tre régulièrement jusqu'à ce qu'un bonhomme de neige complet apparaisse. Tout comme la fonte d'un bonhomme de neige, il existe dans la nature de nombreux processus que l'on ne peut pas inverser. Ce comportement irréversible est décrit dans la fameuse deuxième loi de la thermodynamique. Il stipule que l'entropie d'un système - une mesure de son désordre - ne peut jamais diminuer spontanément et que le désordre (entropie élevée) est donc préféré à l'ordre (entropie faible).

Cependant, lorsque nous zoomons sur le monde microscopique des atomes et des molécules, cette affirmation s'affaiblit et perd sa validité absolue. En moyenne, la deuxième loi reste certes valable à l'échelle nanométrique, mais elle peut être temporairement violée. Ainsi, des événements rares peuvent se produire, que l'on n'observerait jamais dans notre monde macroscopique quotidien, comme par exemple le transfert de chaleur d'un corps froid à un corps chaud.

Probabilité de violation de règle déterminée

Une équipe de scientifiques dirigée par Lukas Novotny, professeur de photonique à l'ETH Zurich, est maintenant parvenue, en collaboration avec des chercheurs de Barcelone et de Vienne, à prédire avec précision la probabilité avec laquelle la deuxième loi principale est temporairement violée. Ils ont confirmé leurs prédictions lors d'une expérience au cours de laquelle une minuscule boule de verre de moins de cent nanomètres de diamètre a été maintenue dans un piège de lumière laser.

Dans l'expérience, les scientifiques ont refroidi la nanosphère à une température inférieure à celle du gaz qui l'entoure. Après avoir arrêté le refroidissement, les chercheurs ont observé que la nanosphère se réchauffait en général gr?ce au transfert d'énergie des molécules de gaz.

Cependant, ils ont constaté que parfois, bien que rarement, la bille de verre ne se comportait pas comme on pourrait s'y attendre en vertu de la deuxième loi : Occasionnellement, elle cédait aussi de l'énergie à son environnement plus chaud au lieu d'en absorber la chaleur. "Immédiatement après l'arrêt du refroidissement, la probabilité d'un nouveau refroidissement du globe de verre est de 50 pour cent, un dixième de seconde plus tard encore de 10 pour cent, et après une seconde déjà, elle est infime. A partir de là, la thermodynamique classique s'applique", explique Novotny. La théorie déduite par les chercheurs pour évaluer leur expérience est en accord avec l'idée générale des limites que conna?t la deuxième loi à l'échelle nanométrique, comme le soulignent les scientifiques.

Pertinent pour la construction de nanomachines

"Le cadre expérimental et théorique que nous présentons dans cette étude a de larges possibilités d'application", a déclaré Christoph Dellago de l'Université de Vienne, cité dans un communiqué de presse de cette institution. "Gr?ce aux progrès technologiques, nous pourrons produire des nanomachines de plus en plus petites et plus elles seront petites, plus elles ressentiront l'effet du mouvement thermique de leur environnement".

Des études plus poussées vont maintenant permettre d'examiner de plus près les propriétés physiques fondamentales des nanosystèmes qui ne sont pas en équilibre thermique. Les recherches prévues apporteront une contribution fondamentale à la compréhension de la manière dont les nanomachines fonctionnent dans des conditions fluctuantes.

Ce texte est basé sur une page externeCommuniqué de presse de l'Université de Vienne.

Référence bibliographique

Gieseler J, Quidant R, Dellago C, Novotny L : Relaxation dynamique d'une nanoparticule soulevée à partir d'un état stable non-équilibré. Nature Nanotechnology, prépublication en ligne 30 mars 2014, doi : page externe10.1038/nnano.2014.40

Sujets similaires

JavaScript a été désactivé sur votre navigateur.