Il demone di Maxwell è una macchina proposta da James Clerk Maxwell nel 1867. L'ipotetica macchina utilizzerebbe le fluttuazioni termiche per ottenere energia, apparentemente violando il secondo principio della termodinamica. Ora, i ricercatori dell'Università di Barcellona hanno presentato la prima soluzione teorica e sperimentale di una versione continua del demone di Maxwell in un sistema a singola molecola. I risultati, pubblicato sulla rivista Fisica della natura , avere applicazioni in altri campi, come i sistemi biologici e quantistici.

"Nonostante la sua semplicità e la grande mole di lavoro sul campo, questa nuova variante del classico demone Maxwell è rimasta finora inesplorata, " nota Fèlix Ritort, professore del Dipartimento di Fisica Fondamentale dell'UB. "In questo studio, abbiamo introdotto un sistema in grado di estrarre arbitrariamente grandi quantità di lavoro per ciclo attraverso misurazioni ripetute dello stato di un sistema."

Trovare il momento favorevole

Aspettare un'occasione così propizia per ottenere benefici è lo stesso schema comportamentale di uno speculatore che aspetta il momento giusto in borsa, o un predatore in attesa che una preda si avvicini. "Dal punto di vista della termodinamica, quel certo aspetto intuitivo nel cercare il momento giusto è ciò che richiede più energia. La risposta è se è possibile ottenere la stessa energia dal momento propizio di quello invertito nel processo di ricerca, cioè attraverso un processo termodinamicamente reversibile, " nota Marco Ribezzi, ricercatore presso l'UB e la Scuola di Fisica e Chimica Industriale (ESPCI Paris/CNRS).

"I nostri esperimenti dimostrano che è possibile trovare il momento giusto, e non molto comune allo stesso tempo, e di utilizzarlo in modo reversibile. Questi risultati mostrano la struttura termodinamica sottostante ad un problema generale che può trovare molte applicazioni, ad esempio, nel campo della biologia, " nota Ribezzi.

Secondo i ricercatori, la nuova versione del demone di Maxwell potrebbe avere conseguenze nei processi di auto-organizzazione e selezione che avvengono durante l'evoluzione biologica. Ad esempio, questo dispositivo potrebbe essere rilevante nella regolazione delle reti biologiche in generazione, trasmissione e trasduzione di segnali attraverso le membrane cellulari.

La prova sperimentale è stata condotta in un sistema di pinzette ottiche, che consente la manipolazione di una molecola ogni volta, in questo caso una molecola di DNA. Con la giusta forza su questa struttura, è possibile aprirlo, ma se la forza è abbastanza piccola, lo stato spiegato diventa raro, così trova il momento preciso che stava cercando. Quando la molecola è in uno stato raro, ha più energia ed è possibile utilizzarla. "Più raro è l'episodio, più difficile per noi trovarlo, ma più energia possiamo ottenere da esso, " nota Ribezzi.

"La sorprendente complessità della materia vivente potrebbe essere vista come il risultato, su più tempi evolutivi, di un grande processo di estrazione di energia in ambienti adeguati per immagazzinare grandi quantità di informazioni nascoste dal rumore e dalla casualità, "conclude Ritorto, anche membro della Bioingegneria, Biomateriali e reti di nanomedicina Centro di ricerca biomedica (CIBER-BBN).