Objets dont la taille est de l'ordre du nanomètre, tels que les éléments constitutifs moléculaires des cellules vivantes ou des dispositifs nanotechnologiques, sont continuellement exposés à des collisions aléatoires avec les molécules environnantes. Dans de tels environnements fluctuants, les lois fondamentales de la thermodynamique qui régissent notre monde macroscopique doivent être réécrites. Une équipe internationale de chercheurs de Barcelone, Zurich et Vienne ont découvert qu'une nanoparticule piégée avec de la lumière laser viole temporairement la célèbre deuxième loi de la thermodynamique, quelque chose qui est impossible à l'échelle humaine de temps et de longueur.

Ils rendent compte de leurs résultats dans le dernier numéro de la prestigieuse revue scientifique Nature Nanotechnologie .

Des surprises à l'échelle nanométrique

Regarder un film joué à l'envers nous fait souvent rire car des choses inattendues et mystérieuses semblent se produire :des éclats de verre gisant sur le sol commencent lentement à se rapprocher les uns des autres, assembler comme par magie et tout à coup un verre intact saute sur la table où il s'arrête doucement. Ou la neige commence à sortir d'une flaque d'eau au soleil, croissant régulièrement jusqu'à ce qu'un bonhomme de neige entier apparaisse comme moulé par une main invisible. Quand on voit de telles scènes, nous réalisons immédiatement que selon notre expérience quotidienne, quelque chose sort de l'ordinaire. En effet, il existe de nombreux processus dans la nature qui ne peuvent jamais être inversés. La loi physique qui capture ce comportement est la célèbre deuxième loi de la thermodynamique, qui postule que l'entropie d'un système - une mesure du désordre d'un système - ne diminue jamais spontanément, favorisant ainsi le désordre (forte entropie) sur l'ordre (faible entropie).

Cependant, quand nous zoomons dans le monde microscopique des atomes et des molécules, cette loi s'assouplit et perd sa rigueur absolue. En effet, à l'échelle nanométrique, la seconde loi peut être violée de manière fugitive. En de rares occasions, on peut observer des événements qui ne se produisent jamais à l'échelle macroscopique tels que, par exemple le transfert de chaleur du froid au chaud qui est du jamais vu dans notre vie quotidienne. Bien qu'en moyenne la deuxième loi de la thermodynamique reste valable même dans les systèmes nanométriques, les scientifiques sont intrigués par ces événements rares et étudient la signification de l'irréversibilité à l'échelle nanométrique.

Nanoparticules dans les pièges laser

Récemment, une équipe de physiciens de l'Université de Vienne, l'Institut des sciences photoniques de Barcelone et l'Institut fédéral suisse de technologie de Zürich ont réussi à prédire avec précision la probabilité d'événements violant de manière transitoire la deuxième loi de la thermodynamique. Ils ont immédiatement mis à l'épreuve le théorème de fluctuation mathématique qu'ils ont dérivé en utilisant une minuscule sphère de verre d'un diamètre inférieur à 100 nm en lévitation dans un piège de lumière laser. Leur dispositif expérimental a permis à l'équipe de recherche de capturer la nanosphère et de la maintenir en place, et, par ailleurs, pour mesurer sa position dans les trois directions spatiales avec une précision exquise. Dans le piège, la nanosphère vibre en raison des collisions avec les molécules de gaz environnantes. Par une manipulation intelligente du piège laser, les scientifiques ont refroidi la nanosphère en dessous de la température du gaz environnant et, ainsi, le mettre dans un état de non-équilibre. Ils ont ensuite arrêté le refroidissement et observé la particule se détendre à une température plus élevée grâce au transfert d'énergie des molécules de gaz. Les chercheurs ont observé que la minuscule sphère de verre, parfois, bien que rarement, ne se comporte pas comme on pourrait s'y attendre selon la deuxième loi :la nanosphère libère efficacement de la chaleur vers l'environnement plus chaud plutôt que d'absorber la chaleur. La théorie dérivée par les chercheurs pour analyser l'expérience confirme l'image émergente sur les limites de la deuxième loi à l'échelle nanométrique.

Des nanomachines hors d'équilibre

Le cadre expérimental et théorique présenté par l'équipe de recherche internationale dans la revue scientifique de renom Nature Nanotechnologie a un large éventail d'applications. Objets dont la taille est de l'ordre du nanomètre, tels que les éléments constitutifs moléculaires des cellules vivantes ou des dispositifs nanotechnologiques, sont continuellement exposés à un tremblement aléatoire dû au mouvement thermique des molécules qui les entourent. À mesure que la miniaturisation progresse à des échelles de plus en plus petites, les nanomachines connaîtront des conditions de plus en plus aléatoires. D'autres études seront menées pour éclairer la physique fondamentale des systèmes nanométriques hors d'équilibre. La recherche prévue sera fondamentale pour nous aider à comprendre comment les nanomachines fonctionnent dans ces conditions fluctuantes.