Objekty o velikostech v řádu nanometrů existují v úplně jiném světě, než je ten přístupný naší zkušenosti. Buněčné molekulární komplexy anebo v laboratoři vyrobené nanostrojky jsou každým okamžikem vystavené náhodnému hemžení molekul, které je obklopují. V takovém prostředí to pak mají těžší i fyzikální zákony, které známe z makrosvěta jako pilíře reality.
Setkal se s tím i tým, který vedli Christoph Dellago z Vídeňské univerzity a Lukas Novotny ze Spolkové vysoké technické školy v Curychu. V časopisu Nature Nanotechnology nadšeně popisují, jak jim nanočástice ve vakuu polapená laserovým paprskem dočasně porušuje druhý termodynamický zákon. Jde tedy o prohřešek proti směřování fyzikálních dějů. Jen pro občerstvení, podle druhého termodynamického zákona se entropie, čili míra neuspořádanosti systému, nemůže samovolně snížit. Jak to všichni důvěrně známe, nepořádek vzniká velmi rychle a velmi snadno, ale sám od sebe se neuklidí. Systémy milují chaos, čili vysokou entropii a dávají mu přednost před řádem, neboli nízkou entropií.
V nanosvětě ale podle všeho nedbají na předpisy tak absolutně striktně. Druhý termodynamický zákon tu může být porušen, i když je to jen výjimečná a hlavně pomíjivá vzpoura proti establishmentu. Na mikroskopických škálách můžeme občas vidět i takové šílenosti, jako předání tepla od chladného objektu teplejšímu. Fyziky to samozřejmě fascinuje a rádi si s podobnými výstředními jevy hrají.
Dellago, Novotny a spol. si pohráli s druhým termodynamickým zákonem v experimentu se skleněnou nanokuličkou o průměru méně než 100 nanometrů, která jim levitovala v laserovém paprsku. Experiment si nastavili tak, že udrželi kuličku na jednom místě a mohli změřit její polohu ve třech rozměrech s nesmírnou přesností. Důvtipnou manipulací s laserovou pastí se jim povedlo skleněnou kuličku ochladit na nižší teplotu, než jakou měly okolní molekuly, a tím pádem ji uvést do nerovnovážného stavu. Pak ochlazování stopli a pozorovali, co se bude dít. Ukázalo se, že se jejich kulička v některých případech zachovala proti liteře druhého termodynamického zákona. Vzácně totiž došlo k přenosu tepla z kuličky na okolní molekuly, tedy z chladného objektu na objekty teplejší. Prostě k přesnému opaku toho, co praví dotyčný zákon. Vzhledem k bouřlivému rozvoji nanotechnologií budeme podobné studie termodynamického chování nanosvěta jistě vídat častěji.
Entropy. Kredit: MIT OpenCourseWare.
Michio Kaku and Morgan Freeman vysvětlují Entropii. Kredi: Muon Ray.
Literatura
Nature Nanotechnology online 30. 3. 2014, Wikipedia (Second law of thermodynamics).