Các vật thể với kích thước ở phạm vi nanomet, chẳng hạn như các khối kiến thiết phân tử của tế bào sống hoặc các thiết bị công nghệ nano, liên tục đối mặt với các va chạm ngẫu nhiên với các phân tử xung quanh. Trong môi trường biến động như vậy, các định luật cơ bản của nhiệt động lực chi phối thế giới vĩ mô của chúng tôi cần phải được viết lại. Nhóm các nhà nghiên cứu từ Barcelona, ​​Zurich và Vienna đã phát hiện thấy rằng hạt nano bị mắc kẹt với ánh sáng laser tạm thời vi phạm định luật thứ hai nổi tiếng của nhiệt động lực học, một điều không thể tồn tại ở quy mô thời gian và chiều dài của của con người.

Sự ngạc nhiên ở cấp nano

Xem một bộ phim quay lùi lại thường làm cho chúng ta phì cười vì dường như xảy ra những điều bất ngờ và bí ẩn: những mảnh thủy tinh nằm trên sàn nhà từ từ bắt đầu di chuyển về phía nhau, lắp ráp lại một cách diệu kỳ và đột nhiên một chiếc li nguyên vẹn nhảy lên bàn, nơi nó nhẹ nhàng được chặn lại. Hoặc tuyết bắt đầu từ một vũng nước dưới ánh nắng, lớn lên một cách ổn định cho đến khi xuất hiện một người tuyết nghiêm chỉnh cứ như được đúc bởi một bàn tay vô hình. Khi thấy những cảnh như vậy, chúng ta ngay lập tức nhận ra rằng, theo kinh nghiệm hàng ngày của chúng ta, đó là điều gì đó khác thường. Thật vậy, có nhiều quá trình trong tự nhiên mà không bao giờ có thể bị đảo ngược. Định luật vật lý nắm bắt hành vi này là định luật thứ hai nổi tiếng của nhiệt động lực học, trong đó thừa nhận rằng entropy của một hệ thống - một số đo cho sự rối loạn của hệ thống - không bao giờ giảm một cách tự nhiên, do đó có xu hướng thiến về rối loạn (entropy cao) so với trật tự (entropy thấp).

Tuy nhiên, khi chúng ta hướng vào thế giới vi mô của các nguyên tử và phân tử, định luật này yếu đi và mất tính tuyệt đối của nó. Thật vậy, ở cấp độ nano định luật thứ hai có thể nhanh chóng bị vi phạm. Trong những trường hợp hiếm hoi, người ta có thể quan sát những sự kiện không bao giờ xảy ra trên quy mô vĩ mô như vậy, ví dụ như sự truyền nhiệt từ lạnh sang nóng, điều chưa từng có trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Mặc dù về trung bình, định luật thứ hai của nhiệt động lực học vẫn đúng ngay cả trong các hệ thống cấp nano, các nhà khoa học bị hấp dẫn bởi những sự kiện hiếm hoi này và đang tìm hiểu ý nghĩa của sự không thể đảo ngược ở cấp nano.

Hạt nano trong bẫy laser

Mới đây, một nhóm các nhà vật lý của Đại học Vienna, Viện Khoa học quang tử tại Barcelona và Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ tại Zurich đã thành công trong việc dự đoán chính xác khả năng các sự kiện thoáng qua vi phạm Định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Họ ngay lập tức đưa các định lý biến động toán học để kiểm tra bằng cách  sử dụng một quả cầu thuỷ tinh nhỏ có đường kính dưới 100 nm bay lên một cái bẫy ánh sáng laser. Thí nghiệm của họ cho phép nhóm nghiên cứu bắt được quả cầu nano và giữ nó ở tại chỗ, ​​và hơn nữa, để đo vị trí của nó trong tất cả ba hướng không gian với độ chính xác cực cao. Trong bẫy, quả cầu nano lắc quanh do những va chạm với các phân tử khí xung quanh. Bằng một thao tác thông minh với bẫy laser các nhà khoa học làm lạnh quả cầu nano xuống dưới nhiệt độ của khí xung quanh và, do đó, đưa nó vào trạng thái không cân bằng. Sau đó họ dừng làm lạnh và xem hạt này trao đổi với nhiệt độ cao hơn thông qua truyền năng lượng từ các phân tử khí. Các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy rằng quả cầu thuỷ tinh nhỏ đôi khi, mặc dù hiếm, không tuân theo định luật thứ hai như người ta kỳ vọng: quả cầu nano giải phóng nhiệt một cách hiệu quả vào môi trường xung quanh nóng hơn chứ không phải là hấp thụ nhiệt..

Các máy móc nano không cân bằng

Khuôn khổ thực nghiệm và lý thuyết của nghiên cứu trên, được giới thiệu  trên tạp chí khoa học nổi tiếng Nature Nanotechnology, có hàng loạt ứng dụng. Các đối tượng có kích thước trong phạm vi nanomet, chẳng hạn như các khối kiến thiết phân tử của tế bào sống hoặc các thiết bị công nghệ nano, liên tục tiếp xúc với sự rung ngẫu nhiên do sự chuyển động nhiệt của các phân tử xung quanh. Do sự thu nhỏ dẫn đến các quy mô ngày càng nhỏ hơn, các cỗ máy nano sẽ gặp phải ngày càng nhiều các điều kiện ngẫu nhiên. Những nghiên cứu sâu hơn sẽ được thực hiện để làm rõ vật lý cơ bản của các hệ thống nano không ở trạng thái cân bằng. Nghiên cứu dự kiến ​​sẽ giúp chúng ta hiểu được các cỗ máy nano hoạt động như thế nào dưới những điều kiện biến động.