Segunda Lei da Termodinâmica falha em nanoescala

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/04/2014

O comportamento da nanoesfera seguiu o que já se suspeitava: algumas vezes ela não se comporta de acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica.
[Imagem: Iñaki Gonzalez/Jan Gieseler]

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 nosso mundo macroscópico precisam ser reescritas.

É o que acaba de anunciar uma equipe internacional que reúne pesquisadores 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 "seta 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.

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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 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.

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Jan Gieseler e seus colegas propuseram agora um teorema para tentar explicar essas exceções incômodas.

Os pesquisadores colocaram seu teorema à prova usando uma pequena esfera de vidro, com um diâmetro de menos de 100 nanômetros, levitando em uma armadilha de laser. Esse aparato permitiu que a equipe capturasse a nanoesfera, mantendo-a no lugar e, além disso, medisse sua posição em todas as três direções espaciais com elevada precisão.

O quadro experimental e teórico promete inúmeras discussões entre os físicos, além de uma vasta gama de aplicações práticas.
[Imagem: Iñaki Gonzalez/Jan Gieseler]

Na armadilha, o nanoesfera se agita 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 em um estado de não-equilíbrio.

Eles então desligaram o resfriamento e monitoraram 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 libera calor para o ambiente mais quente, em vez de absorver o calor.

O experimento confirmou a teoria dos pesquisadores, que demonstra as limitações da Segunda Lei em escala atômica 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 robôs se deparam com condições cada vez mais aleatórias.

A expectativa é que agora os pesquisadores 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 sendo inaugurada, assim, uma nova área de pesquisas para tentar compreender os fundamentais da "física de sistemas em nanoescala fora de equilíbrio".

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