Фундаментальные законы термодинамики не применимы к объектам на наноуровне в той же степени, в какой они применимы к объектам нашего макроскопического мира. Группа исследователей описывает, как в наномире происходит передача тепла от холодных объектов к горячим.
Когда мы смотрим фильм в обратном порядке, это часто вызывает у нас смех, потому что происходят неожиданные и загадочные вещи: из лужи на солнце начинает формироваться снежок, который постепенно увеличивается в размерах, пока не превращается в целого снеговика. Многие процессы в природе необратимы, например таяние снеговика. Это необратимое поведение описывается вторым началом термодинамики, согласно которому энтропия системы — мера беспорядка — никогда не может уменьшиться самопроизвольно, то есть порядок (низкая энтропия) не может смениться беспорядком (высокой энтропией).
Однако при рассмотрении микроскопического мира атомов и молекул это утверждение теряет свою абсолютную истинность. Хотя второй закон термодинамики остается верным на наноуровне, он может временно нарушаться. Это приводит к редким явлениям, которые никогда не наблюдались в нашем повседневном макроскопическом мире, например к передаче тепла от холодного тела к теплому.
Определение вероятности нарушения
Группе ученых под руководством Лукаса Новотного, профессора фотоники, в сотрудничестве с исследователями из Барселоны и Вены удалось точно предсказать вероятность временного нарушения второго начала термодинамики. Они подтвердили свои прогнозы в ходе эксперимента, в ходе которого крошечная стеклянная сфера диаметром менее 100 нанометров была захвачена и удерживалась в ловушке из лазерного излучения.
В ходе эксперимента исследователи охладили наносферу до температуры ниже температуры окружающего газа. Затем они отключили охлаждение и наблюдали, как наносфера нагревается за счет передачи энергии от молекул газа.
Однако они заметили, что крошечная стеклянная сфера иногда, хотя и довольно редко, вела себя не так, как следовало бы ожидать в соответствии со вторым началом термодинамики: иногда она отдавала энергию более теплой среде, а не поглощала ее. «Вероятность того, что стеклянная сфера продолжит охлаждаться сразу после отключения охлаждения, составляет 50 %. Через десятую долю секунды вероятность все еще составляет 10 %, а через секунду она ничтожно мала. С этого момента начинает действовать обычная термодинамика», — объясняет Новотны. Как отмечают ученые, теория, разработанная исследователями для анализа эксперимента, подтверждает сложившееся представление об ограничениях второго начала термодинамики на наноуровне.
Важно для создания наномашин
«Экспериментальная и теоретическая база, которую мы представляем в нашем исследовании, имеет широкий спектр применений, — заявил Кристоф Деллаго из Венского университета в пресс-релизе. — Благодаря миниатюризации мы сможем создавать все более компактные наномашины, и чем они будут меньше, тем сильнее на них будет влиять тепловое движение окружающей среды».
В ходе дальнейших исследований мы подробнее изучим фундаментальные физические свойства наносистем, находящихся вне состояния теплового равновесия. Запланированные исследования внесут значительный вклад в понимание того, как работают наномашины в нестабильных условиях.
Этот текст основан на пресс-релизе Венского университета, подготовленном редакцией ETH Zurich News.