Le démon de Maxwell est une machine proposée par James Clerk Maxwell en 1867. La machine hypothétique utiliserait les fluctuations thermiques pour obtenir de l'énergie, violant apparemment le deuxième principe de la thermodynamique. Maintenant, des chercheurs de l'Université de Barcelone ont présenté la première solution théorique et expérimentale d'une version continue du démon de Maxwell dans un système à molécule unique. Les résultats, publié dans la revue Physique de la nature , avoir des applications dans d'autres domaines, tels que les systèmes biologiques et quantiques.

"Malgré sa simplicité et la grande quantité de travail sur le terrain, cette nouvelle variante du démon Maxwell classique est restée inexplorée jusqu'à présent, " note Félix Ritort, professeur du Département de physique fondamentale de l'UB. "Dans cette étude, nous avons introduit un système capable d'extraire arbitrairement de grandes quantités de travail par cycle grâce à des mesures répétées de l'état d'un système."

Trouver le moment favorable

Attendre une occasion aussi propice pour obtenir des bénéfices est le même comportement d'un spéculateur attendant le bon moment en bourse, ou un prédateur attendant qu'une proie s'approche. « D'un point de vue thermodynamique, ce certain aspect intuitif en essayant de chercher le bon moment est ce qui prend plus d'énergie. La réponse est de savoir s'il est possible d'obtenir la même énergie du moment propice que celui inversé dans le processus de recherche, c'est-à-dire par un processus thermodynamiquement réversible, " note Marco Ribezzi, chercheur à l'UB et à l'École de physique et chimie industrielles (ESPCI Paris/CNRS).

"Nos expériences démontrent qu'il est possible de trouver le bon moment, et pas très commun en même temps, et de l'utiliser de manière réversible. Ces résultats montrent la structure thermodynamique sous-jacente à un problème général qui peut trouver de nombreuses applications, par exemple, dans le domaine de la biologie, " note Ribezzi.

Selon les chercheurs, la nouvelle version du démon de Maxwell pourrait avoir des conséquences sur les processus d'auto-organisation et de sélection qui se produisent au cours de l'évolution biologique. Par exemple, ce dispositif pourrait être pertinent dans la régulation des réseaux biologiques en génération, transmission et transduction de signaux à travers les membranes cellulaires.

Les tests expérimentaux ont été menés dans un système de pinces optiques, qui permet la manipulation d'une molécule à chaque fois, dans ce cas une molécule d'ADN. Avec la bonne force sur cette structure, il est possible de le déplier, mais si la force est assez petite, l'état déplié devient rare, il trouve donc le moment précis qu'il cherchait. Lorsque la molécule est dans un état rare, il a plus d'énergie et il est possible de l'utiliser. "Plus l'épisode est rare, le plus difficile pour nous de le trouver, mais plus nous pouvons en tirer d'énergie, " note Ribezzi.

"L'étonnante complexité de la matière vivante pourrait être vue comme le résultat, sur plusieurs échelles de temps évolutives, d'un grand processus d'extraction d'énergie dans des environnements appropriés pour stocker de grandes quantités d'informations cachées par le bruit et le hasard, " conclut Ritort, également membre de la Bioingénierie, Centre de Recherche Biomédicale en Réseaux Biomatériaux et Nanomédecine (CIBER-BBN).