Nanočástice občas poruší druhý zákon termodynamiky

Ten říká, že spontánně se míra neuspořádanosti (entropie) nějakého systému nemůže snižovat. Například chladnější těleso nemůže samo od sebe ohřívat těleso s vyšší teplotou.

Pokud má nějaký objekt rozměry v řádu nanometrů, je neustále vystaven důsledkům náhodných nárazů ostatních částic ze všech stran a projevují se u něj také efekty kvantové mechaniky, kvantové fluktuace. To se týká například molekul, které jsou základními stavebními kameny živých buněk. Za těchto podmínek se nanočástice a jejich skupiny chovají odlišně než složené makroskopické objekty v námi přímo pozorovatelném “lidském” světě. U těchto objektů pozorujeme trend k jejich přirozené degradaci, rozbíjení a ztrátě struktury či uspořádání. Naopak nikdy nepozorujeme opačné procesy, například že by se hrnek sám složil z rozbitých střepů a vyskočil ze země na stůl. Také nevidíme, že by se kaluž vody sama o sobě někdy “zorganizovala” do podoby uspořádaných sněhových vloček a vytvořila z nich sněhuláka.

Právě zobecněním těchto jevů je fyzikální pravidlo, které se nazývá druhý termodynamický zákon - systémy za podmínky své izolovanosti směřují od stavů s vyšší uspořádaností do stavů s uspořádaností nižší. Fyzikální stavová veličina, zvaná entropie, se při tomto vývoji naopak zvětšuje. Toto pravidlo je velmi obecné a v průměru je splněno i při většině procesů, které probíhají v nanosvětě.

Umělecké znázornění nanočástice polapené v laserové pasti |foto: Iñaki Gonzalez, Jan Gieseler

Zvláštní situace ale panuje v oblasti tzv. laserových pastí, alespoň podle nové analýzy. Vědci ze tří evropských pracovišť prováděli pokusy se skleněnou kuličkou o průměru 100 nanometrů, kterou nechali volně levitovat v prostředí laserové pasti. Laserová past zabezpečila, že se kulička vznášela na jednom místě v prostoru. Během pokusu se kulička neustále srážela s okolními molekulami plynu, takže by se dalo předpokládat, že zde bude panovat tendence směřující ke vzájemné tepelné rovnováze. Rafinovaným nastavením pasti však vědci dokázali ochladit kuličku na teplotu menší, než byla teplota okolí. Po vypnutí tohoto mechanismu chlazení se sice většinou kulička znovu rychle ohřála na okolní teplotu, ale ne vždy. V některých vzácných případech se naopak kulička dále ochlazovala a předávala své teplo teplejšímu okolí. Vědci provedli teoretický rozbor tohoto zvláštního jevu v časopise Nature Nanotechnology.

Zdroje: Phys.Org, Nature Nanotechnology