Un dispositivo que convierte información en energía

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Información y energíaEl experimento, inspirado por una paradoja, tienta a una gota a que suba pendiente arriba.

Las leyes de la física dicen que no puedes obtener energía a partir de nada — aún peor, siempre obtendrás menos energía de un sistema de la que metes en él. Pero un experimento a nanoescala inspirado por una paradoja del siglo XIX que parecía romper esas leyes, demuestra ahora que se puede generar energía a partir de la información.

Masaki Sano, físico de la Universidad de Tokio, y sus colegas han demostrado que puede convencerse a una gota para que suba una ‘escalera espiral’ sin que se transfiera directamente ninguna energía directamente a la gota para empujarla hacia arriba. En lugar de esto, es persuadida a lo largo de su ruta a través de una serie de decisiones juiciosamente sincronizadas para que cambie la altura de sus “pasos”, basándose en la información de la posición de la gota. En este sentido, “la información se convierte en energía”, dice Sano. El trabajo se pulica en Nature Physics1.

La configuración del equipo se inspiró en el experimento mental del siglo XIX propuesto por el físico escocés James Clerk Maxwell, el cual – controvertido en su momento – sugirió que la información podía convertirse en energía. En el experimento mental, un demonio guarda una puerta entre dos habitaciones, cada una repleta de moléculas de gas. El demonio sólo permite que pasen de izquierda a derecha las partículas de gas de movimiento rápido, y las de movimiento lento en sentido contrario.

Como resultado, la sala de la derecha se calentará conforme la velocidad media de las partículas en esa sala se incrementa, y la sala de la izquierda se enfriará. El demonio crea de esta forma una diferencia en la temperatura sin impartir directamente energía a las moléculas del gas – simplemente conociendo la información sobre su velocidad. Esto parece violar la segunda ley de la termodinámica, la cual afirma que no puedes crear un sistema más ordenado sin introducir energía.

Una paradoja puesta en práctica

Para crear una versión real del experimento del demonio, Sano y sus colegas colocaron una gota alargada de poliestireno a nanoescala, la cual podía rotar en sentido horario o antihorario, en un baño de una solución tampón. El equipo aplicó un voltaje variable alrededor de la gota, haciendo que fuese progresivamente más difícil que la gota rotase 360 grados completos en la dirección antihoraria. Esto creó una “escalera espiral” que era más difícil de subir en sentido antihorario que caer por el sentido horario, señala Sano.

Cuando se la dejaba sola, la gota era empujada aleatoriamente por las moléculas de su alrededor, a veces recibiendo suficiente empuje para girar antihorariamente contra el voltaje — o subir la escalera – pero más a menudo se giraba en sentido horario – “bajando” la escalera. Pero entonces el equipo introdujo la versión del demonio de Maxwell.

Observaron el movimiento de la gota, y cuando giraba en sentido antihorario, rápidamente ajustaban el voltaje — el equivalente del demonio de Maxwell de cerrar la puerta a una molécula de gas – haciendo que fuese más difícil para la gota girar en sentido horario. Se animaba de esta forma a que la gota siguiese subiendo la escalera, sin que se impartiese directamente energía a la misma, comenta Sano.

El experimento realmente no viola la segunda ley de la termodinámica, debido a que en el sistema global, la energía debe ser consumida por el equipo – y los experimentadores – para monitorizar la gota y cambiar el voltaje a demanda. Pero demuestra que puede usarse la información como medio para transferir energía, dice Sano. La gota es dirigida como un mini-rotor, con una eficiencia en la conversión de información a energía del 28%.

“Esta es una maravillosa demostración experimental de que la información tiene un contenido termodinámico”, dice Christopher Jarzynski, químico estadístico de la Universidad de Maryland en College Park. En 1997, Jarzynski formuló una ecuación para definir la cantidad de energía que podría convertirse, teóricamente a partir de una unidad de información2; el trabajo de Sano y su equipo ha confirmado ahora esta ecuación. “Esto nos dice algo nuevo sobre cómo funcionan las leyes de la termodinámica a escala microscópica”, apunta Jarzynski.

Vlatko Vedral, físico cuántico de la Universidad de Oxford, en el Reino Unido, dice que será interesante ver si la técnica puede usarse para dirigir nanomotores y máquinas moleculares artificiales. “También me apasionaría ver si ya funciona algo así en la naturaleza”, comenta. “Después de todo, se podría decir que todos los sistemas vivos son “demonios de Maxwell”, intentando desafiar la tendencia del orden a volverse aleatoriedad”.


Referencias:
1. Toyabe, S. , Sagawa, T. , Ueda, M. , Muneyuki, E. & Sano, M. Nature Physics doi:10.1038/NPHYS1821 (2010).
2. Jarzynski, C. Phys. Rev. Lett. 78, 2690-2693 (1997).
 

Autor: Zeeya Merali
Fecha Original: 14 de noviembre de 2010
Enlace Original

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