Investigadors de la UB desenvolupen una nova variant del dimoni de Maxwell en la nanoescala
El dimoni de Maxwell és una màquina imaginada per James Clerk Maxwell el 1897. Aquest artefacte hipotètic aprofitaria les fluctuacions tèrmiques per obtenir energia, en aparent violació del segon principi de la termodinàmica. Ara, investigadors de la Universitat de Barcelona han presentat la primera solució teòrica i experimental dʼuna versió contínua del dimoni de Maxwell en un sistema de molècula individual. Els resultats, publicats a la revista Nature Physics, poden tenir aplicacions en altres àmbits, com els sistemes biològics o quàntics.
El dimoni de Maxwell és una màquina imaginada per James Clerk Maxwell el 1897. Aquest artefacte hipotètic aprofitaria les fluctuacions tèrmiques per obtenir energia, en aparent violació del segon principi de la termodinàmica. Ara, investigadors de la Universitat de Barcelona han presentat la primera solució teòrica i experimental dʼuna versió contínua del dimoni de Maxwell en un sistema de molècula individual. Els resultats, publicats a la revista Nature Physics, poden tenir aplicacions en altres àmbits, com els sistemes biològics o quàntics.
«Malgrat la seva senzillesa i la gran quantitat de treballs publicats en aquest camp, aquesta nova variant del dimoni clàssic de Maxwell no sʼhavia estudiat fins ara», explica Fèlix Ritort, catedràtic del Departament de Física Fonamental i membre de l’Institut de Nanociència i Nanotecnologia (IN2UB). «En aquesta recerca —afegeix Ritort—, hem introduït un sistema capaç dʼextreure arbitràriament grans quantitats de treball per cicle mitjançant mesures repetides de lʼestat dʼun sistema».
Buscar el moment propici
Lʼespera dʼuna ocasió propícia de la qual es pugui treure partit és una experiència que coneix tothom. Aquest patró de comportament és el mateix que el dʼun especulador que espera per aprofitar una fluctuació a la borsa o el dʼun depredador ben mimetitzat que espera que una presa distreta es posi al seu abast. «Des del punt de vista termodinàmic, la recerca dʼocasions propícies —que té cert component intuïtiu— és el que consumeix la major part de lʼenergia. La pregunta és si és possible aconseguir la mateixa energia del moment propícia que la que sʼinverteix en el procés de recerca, és a dir, mitjançant un procés termodinàmicament reversible», explica Marco Ribezzi, investigador de la UB i de lʼEscola Superior de Física i de Química Industrials de París (ESPCI París, CNRS).
«Els nostres experiments demostren que és possible trobar el moment propici, i alhora poc habitual, i aprofitar-lo de manera reversible. Aquests resultats posen en evidència una estructura termodinàmica subjacent a un problema general que pot trobar moltes aplicacions, per exemple en el camp de la biologia», apunta Ribezzi.
Segons els investigadors, el dimoni de Maxwell continu podria tenir conseqüències en lʼautoorganització i els processos de selecció que tenen lloc durant lʼevolució de la matèria biològica. Per exemple, aquest dispositiu podria ser rellevant en la regulació de xarxes biològiques en el cas de la generació, transmissió i transducció de senyals a través de les membranes cel·lulars.
Concretament, la comprovació experimental sʼha dut a terme en un sistema de pinces òptiques que permet manipular una molècula cada vegada, en aquest cas una molècula dʼADN. Aplicant força suficient sobre aquesta estructura, és possible desplegar-la, però si la força és prou petita, lʼestat desplegat es torna més i més rar, de manera que sʼarriba a aquell moment precís que es buscava. Quan la molècula es troba en aquest estat poc habitual, té més energia i és possible aprofitar-la. «Com més estrany és el moment, més ens costarà trobar-lo, però més energia seʼn podrà obtenir», precisa Ribezzi.
«La sorprenent complexitat de la matèria viva es podria veure com el resultat, al llarg de diferents períodes evolutius, dʼun gran procés dʼextracció dʼenergia en entorns adequats per emmagatzemar grans quantitats dʼinformació totalment oculta pel soroll i lʼaleatorietat», conclou Ritort, també membre del CIBER de Bioenginyeria, Biomaterials i Nanomedicina (CIBER-BBN).
Aquesta recerca sʼha dut a terme en el marc del projecte europeu Information, Fluctuations, and Energy Control in Small Systems (INFERNOS), dins del programa Future and Emerging Technologies (FET), i té com a objectiu la realització experimental del mecanisme de Maxwell a nanoescala, és a dir, la creació de nanodispositius electrònics i biomoleculars que segueixin el principi del dimoni de Maxwell.
Referència de lʼarticle:
M. Ribezzi-Crivellari i F. Ritort. «Large work extraction and the Landauer limit in a continuous Maxwell demon». Nature Physics, abril de 2019. Doi: 10.1038/s41567-019-0481-0