09/Feb/07

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Un diablillo de Maxwell molecular

Demuestran experimentalmente un mecanismo molecular mediante el cual se consiguen sistemas fuera del equilibrio termodinámico de manera similar al que conseguiría el diablillo de Maxwel.

James Clerk Mawell concibió un experimento mental en 1867. En éste un demonio era el guardián de una puerta entre dos recintos rellenos con gas. Usando sus poderes demoníacos la criatura podría abrir la puerta en un sentido a determinadas moléculas de movimiento rápido y cerrarla a las otras. Con el tiempo, uno de los recintos ganaría en moléculas de alto movimiento y la temperatura del gas se elevaría en esa cámara. Por el contrario el otro recinto al perder estas moléculas se enfriaría. De este modo se violaría el segundo principio de la termodinámica que dice que el calor no puede pasar espontáneamente y sin gasto de energía de un foco frío a uno cálido. La energía potencial del sistema aumentaría sin haber gastado energía previamente, pero sólo si consideramos que el diablillo no come nada.

Ahora con el desarrollo de la nanotecnología se puede explorar este tipo de mecanismos. Un grupo de investigadores escoceses afirman que gracias a un sistema de "raqueta de información" es posible llevar a un sistema fuera del equilibrio. La máquina, que está alimentada por luz, controla una puerta que transporta moléculas usando un sistema parecido al diablillo de Maxwell, aunque con gasto de energía.

Aunque los sistemas biológicos usan sistemas químicos fuera del equilibrio termodinámico, los científicos no han sido hasta ahora capaces de copiarlo, pese a la disposición a hacerlo y a contar con las nuevas herramientas nanotecnológicas.

Sin embargo David Leigh, de la Universidad of Edinburgo, ha demostrado que ciertas partículas pueden ser llevadas fuera del equilibrio usando una raqueta de información. Para realizar la tarea estos investigadores usan rotaxano, un ensamblado o complejo de moléculas con un eje con forma de pesa o mancuerna en el cual puede deslizarse un anillo. El movimiento del anillo puede ser entorpecido por una "puerta" localizada a lo largo del camino. Cuando se suministra luz al rotaxano el anillo que forma parte de él absorbe fotones y transfiere energía a la puerta, que entonces cambia temporalmente de forma para dejar pasar el anillo. Una vez el anillo ha pasado no puede devolver la energía a la puerta y se queda atascado en el lugar.

En un contenedor con billones de rotaxanos los investigadores vieron que después de unos minutos de iluminación la proporción de rotaxanos entre las dos configuraciones posibles pasó de 50:50 a 70:30, señal inequívoca que el proceso se daba.

El fallo en el razonamiento de Maxwell es suponer que el diablillo no consume energía en el proceso de control de la puerta. En este caso del rotaxano el apetito del diablillo se satisface mediante un suministro de energía en forma de luz, y la segunda ley de la termodinámica permanece inalterada.

El paso de moléculas de un lugar a otro en el experimento mental de Maxwell es equivalente al paso del anillo de un lado al otro en el complejo de rotaxano. Esta serie de dibujos colocados a la derecha ilustra cómo el mecanismo de raqueta en las partículas de rotaxano es análogo al diablillo de Mawell. En (a) la energía de un fotón (h?) excita el anillo del rotaxano (representado por una partícula en la cámara de la izquierda). El anillo en esa posición transmite la energía adquirida a la puerta (representada tanto por el diablillo como por la puerta misma) que se abre para dejar pasar el anillo (b). Una vez que el anillo está al otro lado de la molécula de rotaxano (c), entonces ya no puede devolver la energía a la puerta (d) y en su lugar disipa la energía al ambiente.

Según David Leigh (d) es crucial para entender por qué el diablillo de Maxwell no proporciona un argumento válido para la violación del segundo principio de la termodinámica, ya que corresponde a que el diablillo borra información acerca de la posición de la partícula y por tanto hace el proceso irreversible, un fallo que ya reportó Charles Benett en 1982. (Dibujos: David Leigh.)

Los investigadores han demostrado por tanto que es posible forzar a las partículas de rotaxano hasta llevarlas fuera del equilibrio termodinámico de una manera similar a las maquinarias moleculares que realizan esta función en los sistemas biológicos.

En todo caso, y como la segunda ley de la termodinámica aun es válida, no desenchufe su frigorífico, es seguro que en ese estado no funcionará.

Fuente: Neofronteras. Aportado por Eduardo J. Carletti