كسر قانون الترموديناميك الثاني باستخدام الجسيمات النانوية

من طرف **Admin** الإثنين أبريل 07, 2014 8:33 pm

تتعرض الجزيئات الصغيرة ذات الأبعاد النانومترية، كالجزيئات التي تُشكل وحدات البناء الجزيئية للخلايا الحية أو في الأجهزة التقنية النانومترية، بصورةٍ مستمرة للتصادم العشوائي مع ما يحيطها من جزيئات. في مثل تلك البيئات المتقلبة، تحتاج القوانين الرئيسية للديناميك الحراري، التي تسود عالمنا الماكروسكوبي (عالمنا الكبير)، إلى إعادة صياغة . وجد فريق من الباحثين من برشلونة وزوريخ وفيينا، أن احتجاظ جسيم نانوي ضمن ضوء ليزري يؤدي إلى خرقٍ مؤقت للقانون الثاني الشهير من قوانين الديناميك الحراري، و هذا أمرٌ مستحيل في مقاييس الزمن والمسافة لدى البشر. و قد نشروا نتائج بحثهم في أحدث عدد من مجلة
Nature Nanotechnology و هي مجلة علمية رفيعة المستوى.
المفاجآت التي تح\ث عند المستوى النانومتري
إن مشاهدة فلم بالعرض العكسي تدفعنا غالباً للضحك، لأننا نرى أموراً غامضة وغير متوقعة: قِطَع
الزجاج المكسور والمنتشرة على الأرض تبدأ بالتحرك ببطء متقاربةً من بعضها، ثم تتجمع بشكلٍ سحري وتقفز على الطاولة حيث تستقر فوقها بلطف. أو قد نرى أن الماء من بركة في الشمس يتحول إلى ثلج، ثم ينمو بثبات حتى يظهر لنا رجل ثلج كامل وكأنه قد صنع بأيادٍ خفية. عند رؤيتنا لمشاهد مماثلة، نُدرك على الفور، بناءاً على خبرتنا اليومية، أن أمراً استثنائياً قد حدث. وبالفعل، هنالك العديد من العمليات التي تجري في الطبيعة والتي لا يمكن عكس مسارها. إن القانون الفيزيائي الشهير، قانون الديناميك الحراري الثاني، هو المسؤول عن تسجيل معالم هذا السلوك. ينص القانون على أن الأنتروبية في نظام ما -وهي مقياس لدرجة الاضطراب في النظام - لا تتناقص من تلقاء نفسها، مفضلةً بذلك حالة الأضطراب (الأنتروبية المرتفعة) على حالة الاستقرار (الأنتروبية المنخفضة).
عل كل حال، وعندما نخوض في عالم الذرات والجزيئات المجهري، فإننا نجد أن هذا القانون يُخفف من حدته ويفقد دقته المطلقة. وبالفعل، يمكن خرق القانون الثاني بشكلٍ عابر على المستوى النانومتري. في بعض الحالات النادرة، يُمكن للمرء أن يرصد أحداثاً يستحيل حدوثها على المستوى الكبير، على سبيل المثال: انتقال الحرارة من جسم بارد إلى جسم ساخن، و هذا أمر لم نسمع به قط في حياتنا اليومية. على الرغم من أن قانون الثاني في الديناميك الحراري، يبقى ساري المفعول حتى على مستوى الأنظمة النانومترية،لا يزال العلماء مهتمين للغاية بتلك الأحداث النادرة، و هم يسعون لإيجاد تفسير للحالات اللاعكوسة الموجودة عند المستوى النانومتري.
جسيمات نانومترية في أفخاخ ليزرية
نجح مؤخراً فريقٌ من الفيزيائيين من جامعة فيينا، و مؤسسة علم الفوتونات في برشلونة، والمؤسسة الفيدرالية السويسرية للتقانة في زوريخ، في التكهن باحتمال وجود أحداث تخرق القانون الثاني في الديناميك الحراري بشكلٍ عابر. فقد قاموا فوراً بوضع المتغيرات الرياضية التي تم اشتقاقها في حيز الاختبارات، مستخدمين بذلك كرة زجاجية صغيرة قطرها أقل من 100 نانومتر. و قد تم تعليقها في الهواء باستخدام (فخ) من الضوء الليزري. سمحت تلك التجربة لفريق البحث بتسجيل الكرة النانومترية و تثبيتها في مكانها، و علاوة على ذلك، تمكنوا من قياس موقعها بدقة عالية بالنسبة للمحاور الفراغية الثلاثة. تهتز تلك الكرة النانومترية ضمن الفخ بسبب تصادمها مع جزيئات الغاز المحيط بها. قام العلماء بتبريد الكرة النانومترية إلى درجة حرارة أقل من درجة حرارة الغاز الذي يحيط بها، وذلك عن طريق التلاعب الذكي بالفخ الليزري، وهكذا أدى بهم الأمر إلى جعل الكرة في حالة اتزان. بعد ذلك، قاموا بإيقاف التبريد وراقبوا الكرة أثناء ارتفاع درجة حرارتها، الأمر الناجم عن استقبالها للطاقة من الغاز المحيط بها. رصد الباحثون أنه في أحيانٍ النادرة، لا تقوم الكرة الزجاجية باتباع سلوك موافق للقانون الثاني في الديناميك الحراري كما هو متوقع: تقوم الكرة النانومترية بإطلاق الحرارة، بشكلٍ فعال، نحو العناصر الأكثر حرارة منها والمحيطة بها، وذلك بدلاً من قيامها بامتصاص الحرارة. إن النظرية التي اشتقها الباحثون من تحليلاتهم للتجربة تؤكد أن القانون الثاني في الديناميك الحراري له حدود معينة على المستوى النانومتري.
الآلات النانوية خارج التوازن
الإطار التجريبي والنظري الذي تم عرضه من قبل فريق البحث الدولي، في مجلة Nature Nanotechnology له الكثير من التطبيقات. تتعرض الأجسام التي تمتلك أحجاماً نانوية، مثل لبنات البناء الجزيئية للخلايا الحية أو الأجهزة النانوية، بشكلٍ مستمر لصدماتٍ عشوائية جراء الحركة الحرارية للجزيئات المحيطة بها. مع التحرك قدماً باتجاه سلالم القياس الأصغر والأصغر، ستُعاني الآلات النانوية من ظروف عشوائية متزايدة. سيتم إجراء المزيد من الدراسات من أجل تسليط الضوء على الفيزياء الأساسية التي تحكم الأنظمة النانوية الموجودة خارج حالات التوازن. الأبحاث المخطط لها ستكون أساسية من أجل المساعدة على فهم الأجهزة النانوية التي تعمل تحت هذه الظروف المضطربة.

المصدر:
http://phys.org/news/2014-03-nanoparticle-laser-temporarily-violates-law.html