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2. Hauptsatz der Thermodynamik verletzt: In Nanomaschinen kann die Entropie abnehmen

In kleinen physikalischen Systeme mit Abmessungen im Nanometerbereich kann bei periodischen Bewegungen die Entropie abnehmen. Sie verletzen damit den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der besagt, dass die Entropie bei Kreisprozessen stets ansteigt oder im besten Fall gleich bleibt. Ein australisches Forscherteam hat nun erstmals eine Entropieabnahme experimentell nachgewiesen und damit eine vor zehn Jahren aufgestellte Theorie bestätigt. Darüber berichtet das Fachblatt Physical Review Letters (Band 89, Referenznummer 050601).

Das Experiment der Forscher um Denis Evans von der australischen Nationaluniversität untersuchte die bei der periodischen Bewegung einer nur wenige Mikrometer großen Latexkugel auftretenden Entropieänderungen. Dazu fingen die Forscher eine in einer Flüssigkeitszelle schwebende Kugel mittels des Laserstrahls einer Laserpinzette ein. Die Kugel war damit durch elektrostatische Kräfte an den Brennpunkt des Strahls gebunden.

Die Forscher bewegten nun die Flüssigkeitszelle mit einer Frequenz von 54 Hertz vorwärts und rückwärts, so dass die in ihr schwebende Latexkugel mit dieser Frequenz durch den Brennpunkt des Laserstrahls wanderte. Mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera hielt das Team den Ort der Kugel Tausend mal pro Sekunde fest. Dies ermöglichte die Bestimmung der Bahnkurven der Kugel, und daraus wiederum ließen sich die wirkenden Kräfte und die mit dieser Bewegung verbundenen Entropieänderungen bestimmen.

Unter den aufgenommenen Bahnkurven fanden sich in der Tat einige, bei denen das System während eines Zyklus Entropie verbrauchte und somit gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstieß. Diese Entropieabnahme ließ sich jedoch nur bei sehr kurzen Beobachtungszeiten von wenigen Sekundenbruchteilen beobachten. Eine über wenige Zehntelsekunden durchgeführte Entropiebilanz dieses Prozesses konnte so in der Tat eine Entropieabnahme aufzeigen ? wenn die Bilanz allerdings über mehrere Sekunden durchgeführt wurde, so nahm die Entropie zu.

Die Forscher konnten damit eine von ihnen vor zehn Jahren aufgestellte Theorie bestätigen. In ihrer so genannten Fluktuations-These hatten sie vorausgesagt, dass kleine Systeme über kurze Zeiträume Entropie verbrauchen können.

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Die Entropieabnahme könnte für die Funktionsweise von Nanomachinen von Bedeutung sein. Wenn deren Entropie abnimmt, würden sie quasi „rückwärts“ laufen. Die Fluktuationstheorie kann den Forschern nach auch zur Untersuchung von biologischen Protein-Motoren angewendet werden.

Stefan Maier
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