Oggetti con dimensioni nell'ordine dei nanometri, come gli elementi costitutivi molecolari delle cellule viventi o i dispositivi nanotecnologici, sono continuamente esposti a collisioni casuali con le molecole circostanti. In ambienti così fluttuanti è necessario riscrivere le leggi fondamentali della termodinamica che governano il nostro mondo macroscopico. Un team internazionale di ricercatori di Barcellona, Zurigo e Vienna hanno scoperto che una nanoparticella intrappolata con la luce laser viola temporaneamente la famosa seconda legge della termodinamica, qualcosa che è impossibile sulla scala del tempo e della lunghezza umana.

Riportano i loro risultati nell'ultimo numero della prestigiosa rivista scientifica Nanotecnologia della natura .

Sorprese su scala nanometrica

Guardare un film al contrario spesso fa ridere perché sembrano accadere cose inaspettate e misteriose:schegge di vetro che giacciono sul pavimento iniziano lentamente a muoversi l'una verso l'altra, magicamente si montano e improvvisamente un bicchiere intatto salta sul tavolo dove si ferma dolcemente. O la neve inizia da una pozza d'acqua al sole, in costante crescita fino a quando un intero pupazzo di neve appare come modellato da una mano invisibile. Quando vediamo scene del genere, ci rendiamo subito conto che secondo la nostra esperienza quotidiana qualcosa è fuori dall'ordinario. Infatti, ci sono molti processi in natura che non possono mai essere invertiti. La legge fisica che cattura questo comportamento è la celebre seconda legge della termodinamica, che postula che l'entropia di un sistema – una misura per il disordine di un sistema – non diminuisca mai spontaneamente, favorendo così il disordine (alta entropia) rispetto all'ordine (bassa entropia).

Però, quando ingrandiamo il mondo microscopico di atomi e molecole, questa legge si addolcisce e perde la sua assoluta severità. Infatti, su scala nanometrica la seconda legge può essere violata di sfuggita. In rare occasioni, si possono osservare eventi che non accadono mai su scala macroscopica come, per esempio il trasferimento di calore dal freddo al caldo che è inaudito nella nostra vita quotidiana. Sebbene in media la seconda legge della termodinamica rimanga valida anche nei sistemi su scala nanometrica, gli scienziati sono incuriositi da questi rari eventi e stanno studiando il significato di irreversibilità su scala nanometrica.

Nanoparticelle in trappole laser

Recentemente, un team di fisici dell'Università di Vienna, l'Istituto di Scienze Fotoniche di Barcellona e l'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Zurigo sono riusciti a prevedere con precisione la probabilità di eventi che violano transitoriamente la seconda legge della termodinamica. Hanno immediatamente messo alla prova il teorema della fluttuazione matematica che hanno derivato utilizzando una minuscola sfera di vetro con un diametro inferiore a 100 nm levitata in una trappola di luce laser. La loro configurazione sperimentale ha permesso al team di ricerca di catturare la nanosfera e tenerla in posizione, e, per di più, per misurare la sua posizione in tutte e tre le direzioni spaziali con squisita precisione. Nella trappola, la nanosfera vibra a causa delle collisioni con le molecole di gas circostanti. Con un'abile manipolazione della trappola laser gli scienziati hanno raffreddato la nanosfera al di sotto della temperatura del gas circostante e, in tal modo, metterlo in uno stato di non equilibrio. Hanno quindi spento il raffreddamento e hanno osservato la particella rilassarsi alla temperatura più elevata attraverso il trasferimento di energia dalle molecole di gas. I ricercatori hanno osservato che la minuscola sfera di vetro a volte, anche se raramente, non si comporta come ci si aspetterebbe secondo la seconda legge:la nanosfera cede effettivamente calore all'ambiente più caldo invece di assorbire il calore. La teoria derivata dai ricercatori per analizzare l'esperimento conferma il quadro emergente sui limiti della seconda legge sulla nanoscala.

Nanomacchine fuori equilibrio

Il quadro sperimentale e teorico presentato dal gruppo di ricerca internazionale sulla rinomata rivista scientifica Nanotecnologia della natura ha una vasta gamma di applicazioni. Oggetti con dimensioni nell'ordine dei nanometri, come gli elementi costitutivi molecolari delle cellule viventi o i dispositivi nanotecnologici, sono continuamente esposti a sbalzi casuali dovuti al movimento termico delle molecole che li circondano. Man mano che la miniaturizzazione procede su scale sempre più piccole, le nanomacchine sperimenteranno condizioni sempre più casuali. Ulteriori studi saranno condotti per illuminare la fisica fondamentale dei sistemi su scala nanometrica fuori equilibrio. La ricerca pianificata sarà fondamentale per aiutarci a capire come si comportano le nanomacchine in queste condizioni fluttuanti.