Mai dire mai nel nanomondo

Quando guardiamo un film al contrario, processi inaspettati e apparentemente misteriosi ci fanno ridere: per esempio, la neve può formarsi da una pozzanghera d'acqua al sole e crescere costantemente fino alla comparsa di un pupazzo di neve completo. Proprio come lo scioglimento di un pupazzo di neve, ci sono molti processi in natura che non possono essere invertiti. Questo comportamento irreversibile è descritto nella famosa seconda legge della termodinamica. Essa afferma che l'entropia di un sistema - una misura del suo disordine - non può mai diminuire spontaneamente e quindi il disordine (alta entropia) è favorito rispetto all'ordine (bassa entropia).

Tuttavia, quando ci addentriamo nel mondo microscopico degli atomi e delle molecole, questa affermazione si indebolisce e perde la sua validità assoluta. In media, la seconda legge rimane valida su scala nanometrica, ma può essere temporaneamente violata. Ciò significa che possono verificarsi eventi rari che non sarebbero mai osservati nel nostro mondo macroscopico quotidiano, come il trasferimento di calore da un corpo freddo a uno caldo.

Determinazione della probabilità di violazione di una regola

Un team di scienziati guidato da Lukas Novotny, professore di fotonica all'ETH di Zurigo, in collaborazione con ricercatori di Barcellona e Vienna, è riuscito a prevedere con precisione la probabilità con cui la seconda legge viene temporaneamente violata. In un esperimento in cui una minuscola sfera di vetro con un diametro inferiore a cento nanometri è stata tenuta in una trappola di luce laser, hanno confermato le previsioni.

Nell'esperimento, gli scienziati hanno raffreddato la nanosfera a una temperatura inferiore a quella del gas circostante. Dopo aver spento il raffreddamento, i ricercatori hanno osservato che la nanosfera si riscaldava in generale a causa del trasferimento di energia delle molecole di gas.

Tuttavia, hanno scoperto che a volte, anche se raramente, la perla di vetro non si comportava come ci si aspetterebbe in base alla seconda legge: Occasionalmente, rilasciava energia all'ambiente più caldo invece di assorbirne il calore. "Immediatamente dopo aver spento il raffreddamento, la probabilità di un ulteriore raffreddamento della sfera di vetro è del 50%, un decimo di secondo dopo è ancora del 10% e dopo un secondo è già molto bassa. Da quel momento in poi si applica la termodinamica classica", spiega Novotny. La teoria derivata dai ricercatori per valutare il loro esperimento è in linea con l'idea generale dei limiti della seconda legge su scala nanometrica, come sottolineano gli scienziati.

Rilevante per la costruzione di nanomacchine

"Il quadro sperimentale e teorico che presentiamo nello studio ha un ampio potenziale di applicazione", ha dichiarato Christoph Dellago dell'Università di Vienna in un comunicato stampa di questa istituzione. "Il progresso tecnologico ci consentirà di produrre nanomacchine sempre più piccole e più saranno piccole, più sentiranno l'effetto del movimento termico del loro ambiente".

Ulteriori studi analizzeranno più da vicino le proprietà fisiche fondamentali dei nanosistemi che non sono in equilibrio termico. Le ricerche previste daranno un contributo fondamentale alla comprensione del funzionamento delle nanomacchine in condizioni di fluttuazione.

Questo testo è basato su un pagina esternacomunicato stampa dell'Università di Vienna.