p Objetos com tamanhos na faixa nanométrica, como os blocos de construção moleculares de células vivas ou dispositivos nanotecnológicos, são continuamente expostos a colisões aleatórias com moléculas circundantes. Em tais ambientes flutuantes, as leis fundamentais da termodinâmica que governam nosso mundo macroscópico precisam ser reescritas. Uma equipe internacional de pesquisadores de Barcelona, Zurique e Viena descobriram que uma nanopartícula presa com luz laser viola temporariamente a famosa segunda lei da termodinâmica, algo que é impossível na escala humana de tempo e comprimento. p Eles relatam seus resultados na última edição da prestigiosa revista científica. Nature Nanotechnology .

p Surpresas em nanoescala

p Assistir a um filme reproduzido ao contrário costuma nos fazer rir, porque coisas inesperadas e misteriosas parecem acontecer:cacos de vidro no chão começam a se mover lentamente em direção ao outro, monte magicamente e de repente um copo intacto salta sobre a mesa, onde suavemente para. Ou a neve começa a cair de uma poça d'água ao sol, crescendo continuamente até que um boneco de neve inteiro apareça como se tivesse sido moldado por uma mão invisível. Quando vemos essas cenas, imediatamente percebemos que, de acordo com nossa experiência cotidiana, algo está fora do comum. De fato, existem muitos processos na natureza que nunca podem ser revertidos. A lei física que capta esse comportamento é a célebre segunda lei da termodinâmica, que postula que a entropia de um sistema - uma medida para a desordem de um sistema - nunca diminui espontaneamente, assim, favorecendo a desordem (alta entropia) sobre a ordem (baixa entropia).

p Contudo, quando nos aproximamos do mundo microscópico de átomos e moléculas, esta lei suaviza e perde seu rigor absoluto. De fato, em nanoescala, a segunda lei pode ser violada fugazmente. Em raras ocasiões, pode-se observar eventos que nunca acontecem na escala macroscópica, como, por exemplo, transferência de calor de frio para quente, algo inédito em nossa vida diária. Embora, em média, a segunda lei da termodinâmica permaneça válida mesmo em sistemas em nanoescala, os cientistas estão intrigados com esses eventos raros e estão investigando o significado da irreversibilidade em nanoescala.

p Nanopartículas em armadilhas laser

p Recentemente, uma equipe de físicos da Universidade de Viena, o Instituto de Ciências Fotônicas de Barcelona e o Instituto Federal de Tecnologia da Suíça em Zurique conseguiram prever com precisão a probabilidade de eventos violarem temporariamente a segunda lei da termodinâmica. Eles imediatamente colocaram o teorema da flutuação matemática que eles derivaram em teste usando uma pequena esfera de vidro com um diâmetro de menos de 100 nm levitada em uma armadilha de luz laser. Sua configuração experimental permitiu à equipe de pesquisa capturar a nanoesfera e mantê-la no lugar, e, além disso, para medir sua posição em todas as três direções espaciais com precisão requintada. Na armadilha, a nanoesfera balança devido a colisões com moléculas de gás circundantes. Por uma manipulação inteligente da armadilha de laser, os cientistas resfriaram a nanoesfera abaixo da temperatura do gás circundante e, deste modo, coloque-o em um estado de não equilíbrio. Eles então desligaram o resfriamento e observaram a partícula relaxando até a temperatura mais alta por meio da transferência de energia das moléculas de gás. Os pesquisadores observaram que a pequena esfera de vidro às vezes, embora raramente, não se comporta como seria de se esperar de acordo com a segunda lei:a nanoesfera efetivamente libera calor para ambientes mais quentes em vez de absorver o calor. A teoria derivada pelos pesquisadores para analisar o experimento confirma o quadro emergente sobre as limitações da segunda lei na nanoescala.

p Nanomáquinas fora de equilíbrio

p O referencial experimental e teórico apresentado pela equipe de pesquisa internacional na renomada revista científica Nature Nanotechnology tem uma ampla gama de aplicações. Objetos com tamanhos na faixa nanométrica, como os blocos de construção moleculares de células vivas ou dispositivos nanotecnológicos, são continuamente expostos a um golpe aleatório devido ao movimento térmico das moléculas ao seu redor. À medida que a miniaturização avança para escalas cada vez menores, as nanomáquinas experimentarão condições cada vez mais aleatórias. Mais estudos serão realizados para iluminar a física fundamental de sistemas em nanoescala fora de equilíbrio. A pesquisa planejada será fundamental para nos ajudar a entender como as nanomáquinas funcionam nessas condições flutuantes.