Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Sag niemals nie in der Nano-Welt: Ungewöhnliche Wärme-Übertragung von kalten zu warmen Nanoteilchen

31.03.2014

Objekte mit Größen von wenigen Nanometern, z.B. molekulare Bausteine lebender Zellen oder nanotechnologische Elemente, sind laufend zufälligen Zusammenstößen mit den sie umgebenden Molekülen ausgesetzt.

In diesem mikroskopisch kleinen Umfeld werden die fundamentalen Gesetze der Thermodynamik, die unsere makroskopische Alltagswelt bestimmen, neu geschrieben. Ein Team von Forschern aus Barcelona, Zürich und Wien entdeckte nun, wie ein mit Laserlicht gefangenes Nanoteilchen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzt – ein Umstand, der auf einer menschlichen Zeit- und Längenskala unmöglich ist. Die Wissenschafter berichten dazu im namhaften Journal "Nature Nanotechnology".


Künstlerische Darstellung eines Nanoteilchens in der Laserfalle.

(Copyright: Iñaki Gonzalez and Jan Gieseler)

Überraschung auf der Nanoskala

Wenn wir einen rückwärts abgespielten Film ansehen, bringen uns die unerwarteten und scheinbar mysteriösen Vorgänge oft zum Lachen: Schnee kann sich aus einer Wasserpfütze in der Sonne bilden und solange stetig wachsen, bis ein kompletter Schneemann erscheint, so als würde er von einer unsichtbaren Hand geformt werden. Solche Szenen vermitteln uns aufgrund unserer Alltagserfahrung, dass irgendetwas nicht mit rechten Dingen zugehen kann.

Tatsächlich gibt es in der Natur viele Prozesse, die man nicht umkehren kann. Das physikalische Gesetz, das dieses irreversible Verhalten beschreibt, ist der berühmte zweite Hauptsatz der Thermodynamik, der auf den österreichischen Physiker Ludwig Boltzmann zurückgeht. Er besagt, dass sich die Entropie eines Systems – ein Maß für dessen Unordnung – niemals spontan verringern kann und daher die Unordnung (hohe Entropie) gegenüber der Ordnung (niedrige Entropie) bevorzugt wird.

"Wenn wir jedoch in die mikroskopische Welt der Atome und Moleküle hineinzoomen, wird diese Aussage abgeschwächt und verliert ihre absolute Gültigkeit. Denn auf der Nanoskala kann der zweite Hauptsatz in der Tat vorübergehend verletzt werden. Seltene Ereignisse treten ein, die man in unserer makroskopischen Alltagswelt niemals beobachten würde, wie z.B. die Übertragung von Wärme von einem kalten zu einem warmen Körper", erklärt Christoph Dellago, Professor für Computational Physics an der Universität Wien.

Obwohl der zweite Hauptsatz der Thermodynamik im Mittel selbst in Nano-Systemen gültig bleibt, sind die Wissenschafter fasziniert von diesen seltenen Ereignissen und wollen mehr über die Bedeutung und den mikroskopischen Ursprung der Irreversibiltät in Nano-Systemen in Erfahrung bringen.

Nanoteilchen in Laserfallen

Kürzlich gelang es einem Team um Christoph Dellago von der Universität Wien, die Wahrscheinlichkeit, mit welcher der zweite Hauptsatz der Thermodynamik zeitweise verletzt wird, präzise vorherzusagen. Das von den Forschern mathematisch hergeleitete Fluktuationstheorem wurde sofort auf die Probe gestellt: Experimentalphysiker des Instituts für Photonische Wissenschaften in Barcelona und von der ETH Zürich benutzten eine Falle aus Laserlicht, um eine winzige Glaskugel mit einem Durchmesser von weniger als hundert Nanometer schweben zu lassen. Der experimentelle Aufbau erlaubte dem Forscherteam, die Nanokugel zu fangen und festzuhalten und darüber hinaus ihre Position in allen drei Raumrichtungen mit unglaublicher Genauigkeit zu messen.

In der Falle wird die Nanokugel durch Zusammenstöße mit den sie umgebenden Gasmolekülen herumgeschüttelt. Mithilfe einer cleveren Manipulation der Laserfalle kühlten die Wissenschafter die Nanokugel auf eine geringere Temperatur als die des umgebenden Gases ab – das Nanoteilchen befand sich daher nicht mehr in einem thermischen Gleichgewicht. Nach Abschalten der Kühlung beobachteten die Wissenschafter, wie sich das Nanoteilchen durch die Energieübertragung der Gasmoleküle erwärmte und wie es so aus dem Nichtgleichgewicht wieder in ein thermisches Gleichgewicht überging. Dabei stellten die Forscher fest, dass die winzige Glaskugel sich manchmal, wenn auch selten, nicht so verhielt, wie man es nach dem zweiten Hauptsatz erwarten würde: Gelegentlich gab die Nanokugel auch Energie an die wärmere Umgebung ab, anstatt Wärme von ihr aufzunehmen. Die von den Forschern zur Auswertung ihres Experiments hergeleitete Theorie steht in bestem Einklang mit der allgemeinen Vorstellung, welche Grenzen der zweite Hauptsatz auf der Nanoskala erfährt.

Nanomaschinen aus dem Gleichgewicht

"Der experimentelle und theoretische Rahmen, den wir in 'Nature Nanotechnology' präsentieren, hat breite Anwendungsmöglichkeiten. Durch den technologischen Fortschritt werden wir immer kleinere Nanomaschinen produzieren können und je kleiner diese sind, desto stärker werden sie die Wirkung der thermischen Bewegung ihrer Umgebung spüren", sagt Christoph Dellago abschließend. Fortführende Studien sollen nun die fundamentalen physikalischen Eigenschaften von Nano-Systemen, die sich nicht im thermischen Gleichgewicht befinden, genauer unter die Lupe nehmen. Die geplante Forschung wird einen grundlegenden Beitrag zum Verständnis, wie Nanomaschinen unter fluktuierenden Bedingungen funktionieren, leisten.

Originalpublikation in "Nature Nanotechnology"
Dynamic Relaxation of a Levitated Nanoparticle from a Non-Equilibrium Steady State. Jan Gieseler, Romain Quidant, Christoph Dellago, and Lukas Novotny, Nature Nanotechnology (AOP). February 28, 2014. DOI: 10.1038/NNANO.2014.40

Wissenschaftlicher Kontakt
Univ.-Prof. Dr. Christoph Dellago
Computergestützte Physik
Fakultät für Physik, Universität Wien
1090 Wien, Boltzmanngasse 5
T +43-1-4277-512 60
christoph.dellago@univie.ac.at
http://comp-phys.univie.ac.at/

Rückfragehinweis
Mag. Veronika Schallhart
Pressebüro der Universität Wien
Forschung und Lehre
1010 Wien, Universitätsring 1
T +43-1-4277-175 30
M +43-664-602 77-175 30
veronika.schallhart@univie.ac.at

Die Universität Wien ist eine der ältesten und größten Universitäten Europas: An 15 Fakultäten und vier Zentren arbeiten rund 9.700 MitarbeiterInnen, davon 6.900 WissenschafterInnen. Die Universität Wien ist damit auch die größte Forschungsinstitution Österreichs sowie die größte Bildungsstätte: An der Universität Wien sind derzeit rund 92.000 nationale und internationale Studierende inskribiert. Mit über 180 Studien verfügt sie über das vielfältigste Studienangebot des Landes. Die Universität Wien ist auch eine bedeutende Einrichtung für Weiterbildung in Österreich. 1365 gegründet, feiert die Alma Mater Rudolphina Vindobonensis im Jahr 2015 ihr 650-jähriges Gründungsjubiläum. www.univie.ac.at

Veronika Schallhart | Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Eine Nano-Uhr mit präzisen Zeigern
21.11.2017 | Universität Wien

nachricht ESO-Beobachtungen zeigen, dass der erste interstellare Asteroid mit nichts vergleichbar ist, was wir bisher kennen
21.11.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Tagung widmet sich dem Thema Autonomes Fahren

21.11.2017 | Veranstaltungen

Neues Elektro-Forschungsfahrzeug am Institut für Mikroelektronische Systeme

21.11.2017 | Veranstaltungen

Raumfahrtkolloquium: Technologien für die Raumfahrt von morgen

21.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wasserkühlung für die Erdkruste - Meerwasser dringt deutlich tiefer ein

21.11.2017 | Geowissenschaften

Eine Nano-Uhr mit präzisen Zeigern

21.11.2017 | Physik Astronomie

Zentraler Schalter

21.11.2017 | Biowissenschaften Chemie