Сюрпризы в наномасштабеПросмотр фильма в обратном порядке часто заставляет нас смеяться, потому что кажется, что происходят неожиданные и загадочные вещи: осколки стекла, лежащие на полу, медленно начинают двигаться навстречу друг другу, волшебным образом собираются, и внезапно неповрежденный стакан прыгает на стол, где он мягко попадает в остановка. Или снег начинает расти из лужи на солнце, неуклонно увеличиваясь, пока весь снеговик не будет казаться слепленным невидимой рукой. Когда мы видим такие сцены, мы сразу понимаем, что в соответствии с нашим повседневным опытом что-то необычное.
В самом деле, в природе существует множество процессов, которые невозможно повернуть вспять. Физический закон, который фиксирует это поведение, — это знаменитый второй закон термодинамики, который утверждает, что энтропия системы — мера беспорядка системы — никогда не уменьшается спонтанно, таким образом отдавая предпочтение беспорядку (высокая энтропия) над порядком (низкая энтропия).Однако, когда мы приближаемся к микроскопическому миру атомов и молекул, этот закон смягчается и теряет свою абсолютную строгость. В самом деле, на наномасштабе второй закон может быть нарушен мимолетно.
В редких случаях можно наблюдать события, которые никогда не происходят в макроскопическом масштабе, такие как, например, передача тепла от холода к горячему, что неслыханно в нашей повседневной жизни. Хотя в среднем второй закон термодинамики остается в силе даже в наноразмерных системах, ученые заинтригованы этими редкими событиями и исследуют значение необратимости на наномасштабе.
Наночастицы в лазерных ловушкахНедавно группе физиков Венского университета, Института фотонных наук в Барселоне и Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе удалось точно предсказать вероятность событий, временно нарушающих второй закон термодинамики.
Они немедленно проверили полученную ими математическую теорему о флуктуациях с помощью крошечной стеклянной сферы диаметром менее 100 нм, левитирующей в ловушке лазерного света. Их экспериментальная установка позволила исследовательской группе захватить наносферу и удерживать ее на месте, а также измерить ее положение во всех трех пространственных направлениях с исключительной точностью. В ловушке наносфера дребезжит из-за столкновений с окружающими молекулами газа.Путем хитроумной манипуляции с лазерной ловушкой ученые охладили наносферу ниже температуры окружающего газа и тем самым привели ее в неравновесное состояние.
Затем они выключили охлаждение и наблюдали, как частица релаксирует до более высокой температуры за счет передачи энергии от молекул газа. Исследователи заметили, что крошечная стеклянная сфера иногда, хотя и редко, ведет себя не так, как можно было бы ожидать в соответствии со вторым законом: наносфера эффективно отдает тепло в более горячее окружение, а не поглощает тепло. Теория, разработанная исследователями для анализа эксперимента, подтверждает складывающуюся картину ограничений второго закона на наномасштабе.Наномашины вышли из равновесия
Экспериментальная и теоретическая основа, представленная международной исследовательской группой в научном журнале Nature Nanotechnology, имеет широкий спектр приложений. Объекты с размерами в нанометровом диапазоне, такие как молекулярные строительные блоки живых клеток или нанотехнологические устройства, постоянно подвергаются случайному удару из-за теплового движения молекул вокруг них.
По мере того, как миниатюризация продолжается до все меньших и меньших масштабов, наномашины будут испытывать все более случайные условия. Будут проведены дальнейшие исследования, чтобы осветить фундаментальную физику наноразмерных систем, находящихся вне равновесия.
Запланированное исследование будет фундаментальным, чтобы помочь нам понять, как наномашины работают в этих изменчивых условиях.