Uma nanopartícula presa com laser viola temporariamente a famosa Segunda Lei da Termodinâmica, algo considerado impossível nas dimensões e no tempo relevantes para os humanos. Artigo publicado no site Inovação Tecnológica
Violação da lei
Objetos em escala nanométrica, como os componentes das células vivas ou peças de aparelhos nanotecnológicos, como os NEMS, estão continuamente expostos a colisões aleatórias com moléculas vizinhas.
Nesses ambientes altamente variáveis, as leis fundamentais da termodinâmica que governam o nosso mundo macroscópico precisam ser reescritas.
É o que acaba de anunciar uma equipa internacional que reúne investigadores da Espanha, Suíça e Áustria.
Segundo eles, uma nanopartícula presa com laser viola temporariamente a famosa Segunda Lei da Termodinâmica, algo considerado impossível nas dimensões e no tempo relevantes para os humanos.
Violações da Segunda Lei da Termodinâmica
A maioria dos processos na natureza não pode ser revertido - é a bem conhecida "flecha do tempo", que nunca volta para que o café se desmisture do leite ou os cacos se reúnam novamente na forma de uma xícara quebrada.
A lei da física que explica esse comportamento é conhecida como Segunda Lei da Termodinâmica, que postula que a entropia de um sistema - uma medida para a desordem de um sistema - nunca diminui espontaneamente, favorecendo a desordem (alta entropia) sobre a ordem (baixa entropia).
No entanto, quando damos um zoom até o mundo nanoscópico dos átomos e das moléculas, esta lei suaviza-se e perde o seu rigor absoluto.
Apesar de a Segunda Lei da Termodinâmica "geralmente" permanecer válida mesmo nos sistemas em nanoescala, há alguns eventos raros que questionam a irreversibilidade temporal em nanoescala - por exemplo a transferência de calor do frio para o quente.
Jan Gieseler e seus colegas propuseram agora um teorema para tentar explicar essas exceções incómodas.
Os investigadores colocaram o seu teorema à prova usando uma pequena esfera de vidro, com um diâmetro de menos de 100 nanómetros, levitando numa armadilha de laser. Esse aparato permitiu que a equipa capturasse a nanoesfera, mantendo-a no lugar e, além disso, medisse a sua posição em todas as três direções espaciais com elevada precisão.
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O quadro experimental e teórico promete inúmeras discussões entre os físicos, além de uma vasta gama de aplicações práticas. - Imagem: Iñaki Gonzalez/Jan Gieseler[/caption]
Na armadilha, o nanoesfera agita-se devido a colisões com moléculas do ar ao seu redor. Usando resfriamento também a laser, os cientistas refrigeraram a nanoesfera abaixo da temperatura do gás circundante, colocando-a num estado de não-equilíbrio.
Eles então desligaram o resfriamento e monitorizaram o que acontecia com a nanopartícula enquanto ela se aquecia rumo à temperatura mais elevada do gás ao seu redor.
Nanomáquinas fora do equilíbrio
O comportamento da nanoesfera seguiu o que já se suspeitava: algumas vezes ela não se comporta de acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica.
Nessas ocasiões, a nanoesfera liberta calor para o ambiente mais quente, em vez de absorver o calor.
A experiência confirmou a teoria dos investigadores, que demonstra as limitações da Segunda Lei em escala atómica e molecular, substituindo o determinismo da lei em macroescala pela imprecisão probabilística típica da nanoescala.
O quadro experimental e teórico promete inúmeras discussões entre os físicos, além de uma vasta gama de aplicações práticas.
Conforme a miniaturização avança para escalas cada vez menores, as nanomáquinas e os micro e nano robots deparam-se com condições cada vez mais aleatórias.
A expectativa é que agora os investigadores possam definir melhor as condições nas quais as nanomáquinas vão se deparar com essas condições aleatórias, para que possam reagir a elas de maneira adequada.
Está a ser inaugurada, assim, uma nova área de investigações para tentar compreender os fundamentais da "física de sistemas em nanoescala fora de equilíbrio".
Bibliografia:
Dynamic relaxation of a levitated nanoparticle from a non-equilibrium steady state
Jan Gieseler, Romain Quidant, Christoph Dellago, Lukas Novotny
Nature Nanotechnology
Vol.: Published online
Artigo publicado no site Inovação Tecnológica
