Nueva variante del demonio de Maxwell en la nanoescala

UB/DICYT El demonio de Maxwell es una máquina imaginada por James Clerk Maxwell en 1897. Este artefacto hipotético aprovecharía las fluctuaciones térmicas para obtener energía, en aparente violación del segundo principio de la termodinámica. Ahora, investigadores de la Universidad de Barcelona han presentado la primera solución teórica y experimental de una versión continua del demonio de Maxwell en un sistema de molécula individual. Los resultados, publicados en la revista Nature Physics, pueden tener aplicaciones en otros ámbitos, como los sistemas biológicos o cuánticos.

«A pesar de su sencillez y la gran cantidad de trabajos publicados en este campo, esta nueva variante del demonio clásico de Maxwell no había sido estudiada hasta ahora», explica Fèlix Ritort, catedrático del Departamento de Física Fundamental de la UB. «En esta investigación —añade Ritort—, hemos introducido un sistema capaz de extraer arbitrariamente grandes cantidades de trabajo por ciclo mediante mediciones repetidas del estado de un sistema».

Buscar el momento propicio

La espera de una ocasión propicia de la que sacar partido es una experiencia que todos conocemos. Este patrón de comportamiento es el mismo que el de un especulador que está esperando aprovechar una fluctuación en la bolsa o la de un depredador bien mimetizado que espera a que una presa distraída se ponga a su alcance. «Desde el punto de vista termodinámico, la búsqueda de ocasiones propicias —que tiene cierto componente intuitivo— es lo que consume la mayor parte de la energía. La pregunta es si es posible conseguir la misma energía del evento propicio que la invertida en el proceso de búsqueda, es decir, mediante un proceso termodinámicamente reversible», explica Marco Ribezzi, investigador de la UB y de la Escuela Superior de Física y de Química Industriales de París (ESPCI París/CNRS).

«Nuestros experimentos demuestran que es posible encontrar el evento propicio, y a la vez poco habitual, y aprovecharlo de forma reversible. Estos resultados ponen en evidencia una estructura termodinámica subyacente a un problema general que puede encontrar muchas aplicaciones, por ejemplo en el campo de la biología», apunta Ribezzi.

Según los investigadores, el demonio de Maxwell continuo podría tener consecuencias en la autoorganización y los procesos de selección que tienen lugar durante la evolución de la materia biológica. Por ejemplo, este dispositivo podría ser relevante en la regulación de redes biológicas en el caso de la generación, transmisión y transducción de señales a través de las membranas celulares.

Concretamente, la comprobación experimental se ha llevado a cabo en un sistema de pinzas ópticas que permite manipular una molécula cada vez, en este caso una molécula de ADN. Aplicando suficiente fuerza sobre esta estructura, es posible desplegarla, pero si la fuerza es suficientemente pequeña, el estado desplegado se vuelve más y más raro, con lo que se llega a ese momento preciso que se buscaba. Cuando la molécula se encuentra en un estado raro o poco habitual, tiene más energía y es posible aprovecharla. «Cuanto más raro es el evento, más nos costará encontrarlo, pero más energía podremos obtener de él», precisa Ribezzi.

«La sorprendente complejidad de la materia viva podría verse como el resultado, a lo largo de diferentes períodos evolutivos, de un gran proceso de extracción de energía en entornos adecuados para almacenar grandes cantidades de información totalmente oculta por el ruido y la aleatoriedad», concluye Ritort, también miembro del CIBER de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN).

Dentro del programa Future and Emerging Technologies (FET), esta investigación se ha llevado a cabo en el marco del proyecto europeo Information, Fluctuations, and Energy Control in Small Systems (INFERNOS), cuyo objetivo es la realización experimental del mecanismo de Maxwell a nanoescala, es decir, la creación de nanodispositivos electrónicos y biomoleculares que sigan el principio del demonio de Maxwell.

	Referencia bibliográfica
	M. Ribezzi-Crivellari y F. Ritort. «Large work extraction and the Landauer limit in a continuous Maxwell demon». Nature Physics, abril de 2019. Doi: 10.1038/s41567-019-0481-0