Sag niemals nie in der Nanowelt

Wenn wir einen r¨¹ckw?rts abgespielten Film ansehen, bringen uns unerwartete und scheinbar mysteri?se Vorg?nge zum Lachen: So kann sich etwa Schnee aus einer Wasserpf¨¹tze in der Sonne bilden und solange stetig wachsen, bis ein kompletter Schneemann erscheint. So wie das Schmelzen eines Schneemanns gibt es in der Natur viele Prozesse, die man nicht umkehren kann. Dieses irreversible Verhalten wird im ber¨¹hmten zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben. Er besagt, dass sich die Entropie eines Systems ¨C ein Mass f¨¹r dessen Unordnung ¨C niemals spontan verringern kann und daher die Unordnung (hohe Entropie) gegen¨¹ber der Ordnung (niedrige Entropie) bevorzugt wird.

Wenn wir jedoch in die mikroskopische Welt der Atome und Molek¨¹le hineinzoomen, wird diese Aussage abgeschw?cht und verliert ihre absolute G¨¹ltigkeit. Im Mittel bleibt der zweite Hauptsatz zwar auch auf der Nanoskala g¨¹ltig, vor¨¹bergehend kann er aber verletzt werden. So k?nnen seltene Ereignisse eintreten, die man in unserer makroskopischen Alltagswelt niemals beobachten w¨¹rde, wie zum Beispiel die ?bertragung von W?rme von einem kalten zu einem warmen K?rper.

Wahrscheinlichkeit f¨¹r Regelverletzung bestimmt

Einem Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Lukas Novotny, Professor f¨¹r Photonik an der ETH Z¨¹rich, gelang es nun in Zusammenarbeit mit Forschern aus Barcelona und Wien, die Wahrscheinlichkeit, mit welcher der zweite Hauptsatz zeitweise verletzt wird, pr?zise vorherzusagen. In einem Experiment, in dem eine winzige Glaskugel mit einem Durchmesser von weniger als hundert Nanometer in einer Falle aus Laserlicht festgehalten wurde, haben sie die Vorhersagen best?tigt.

In dem Experiment k¨¹hlten die Wissenschaftler die Nanokugel auf eine geringere Temperatur als die des sie umgebenden Gases ab. Nach Abschalten der K¨¹hlung beobachteten die Forschenden, dass sich die Nanokugel in der Regel durch die Energie¨¹bertragung der Gasmolek¨¹le erw?rmte.

Allerdings stellten sie fest, dass sich das Glask¨¹gelchen manchmal, wenn auch selten, nicht so verhielt, wie man es nach dem zweiten Hauptsatz erwarten w¨¹rde: Gelegentlich gab es auch Energie an die w?rmere Umgebung ab, anstatt W?rme von ihr aufzunehmen. ?Sofort nach Abschalten der K¨¹hlung ist die Wahrscheinlichkeit einer weiteren Abk¨¹hlung der Glaskugel 50 Prozent, eine Zehntelsekunde sp?ter noch 10 Prozent, und nach einer Sekunde bereits verschwindend klein. Von da an gilt die klassische Thermodynamik?, sagt Novotny. Die von den Forschern zur Auswertung ihres Experiments hergeleitete Theorie steht im Einklang mit der allgemeinen Vorstellung, welche Grenzen der zweite Hauptsatz auf der Nanoskala erf?hrt, wie die Wissenschaftler betonen.

Relevant f¨¹r die Konstruktion von Nanomaschinen

?Der experimentelle und theoretische Rahmen, den wir in der Studie pr?sentieren, hat breite Anwendungsm?glichkeiten?, wird Christoph Dellago von der Universit?t Wien in einer Medienmitteilung dieser Institution zitiert. ?Durch den technologischen Fortschritt werden wir immer kleinere Nanomaschinen produzieren k?nnen und je kleiner diese sind, desto st?rker werden sie die Wirkung der thermischen Bewegung ihrer Umgebung sp¨¹ren.?

Fortf¨¹hrende Studien sollen nun die fundamentalen physikalischen Eigenschaften von Nanosystemen, die sich nicht im thermischen Gleichgewicht befinden, genauer unter die Lupe nehmen. Die geplante Forschung wird einen grundlegenden Beitrag zum Verst?ndnis, wie Nanomaschinen unter fluktuierenden Bedingungen funktionieren, leisten.

Dieser Text basiert auf einer externe Seite Medienmitteilung der Universit?t Wien.