3.05.2014 06:56
Quelle: schweizerbauer.ch - sda
Forschung
Wetter kann vom kalten zum warmen Körper fliessen
Wärme fliesst nicht von selbst von kälteren zu wärmeren Körpern - so lautet eines der fundamentalen Gesetze der Physik. Doch in der Nanowelt gelten andere Regeln: Ein Forscherteam unter Schweizer Leitung berichtet, dass winzige Objekte dieses Gesetz vorübergehend sehr wohl verletzen können.

Eine Tasse Kaffee kühlt sich bei Raumtemperatur ab - sie wird nicht heisser. Diese Alltagsbeobachtung beschreibt der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik. (Er besagt, dass die Entropie eines Systems - oft vereinfacht als «Unordnung» bezeichnet - nur zu-, nicht abnehmen kann).

Experiment mit Laser

Doch im Nanometer-Bereich kann der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik zeitweise verletzt werden. Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters. Dies haben nun Lukas Novotny von der ETH Zürich und Kollegen in Barcelona experimentell nachgewiesen, wie sie im Fachjournal «Nature Nanotechnology» berichten.

Sie liessen eine winzige Glaskugel mit einem Durchmesser von 150 Nanometern in einer Falle aus Laserlicht schweben, deren Position sie in allen drei Raumrichtungen hoch präzise messen konnten. Mit einem Laser kühlten die Forscher die Kugel auf 20 Kelvin (minus 253 Grad Celsius) - eine tiefere Temperatur als jene des umgebenden Gases.

Dann wurde die Kühlung ausgeschaltet und beobachtet, wie sich die Nanokugel durch die Energieübertragung der umgebenden Gasmoleküle, die ständig gegen sie prallen, bis auf Zimmertemperatur erwärmte. Aus dem thermischen Ungleichgewicht wurde so wieder ein Gleichgewicht.

Dem 2. Hauptsatz widersprochen

Es zeigte sich jedoch, dass das Verhalten der Glaskugel manchmal dem Zweiten Hauptsatz widerspricht: Gelegentlich gibt die Nanokugel auch Energie an die wärmere Umgebung ab, statt Wärme von ihr aufzunehmen. Wie stark sich die Kugel dabei abkühlt, sei sehr unterschiedlich, sagte Mitautor Christoph Dellago von der Universität Wien der Nachrichtenagentur APA.

«Es ist aber nicht unwahrscheinlich, dass das Teilchen nach kurzer Zeit um mehrere Grade kühler ist als am Anfang.» Ihm zufolge hat das Phänomen nicht mit seltsamen Quantenphänomenen zu tun, sondern folgt der klassischen Physik. Es ergebe sich aus der Statistik der Energieübertragung zwischen dem Glaskügelchen und dem Gas.

Die Untersuchung solcher Phänomene hat laut den Forschern durchaus auch praktische Anwendungsaspekte. So würden etwa künftige winzige Nanomaschinen immer stärker die Wirkung der thermischen Bewegung ihrer Umgebung spüren, was bei der Konstruktion berücksichtigt werden muss.

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