Ing. En Nanotecnología Nanofísica II Termodinámica y Nanotermodinamica Índice: Termodinámica y nanotermodinámica…………………………………….……Pag.3 Equilibrio de la termodinámica clásica…………………………………….……..Pag.5 El sistema, sus alrededores, y Equilibrio………………………..……………....Pag.8 Leyes de la termodinámica……………………………………….……………..…….Pag.9 Parámetros fundamentales de la termodinámica…………...……………..Pag.12 Mecánica estadística……………………………………………………..……….……...Pag.14 Otros tipos de termodinámica………………………………..…………….………..Pag.17 Sistemas celulares y subcelulares………………………………………….….…….Pag.19 Nanotermodinamica……………………………………………………………………….Pag.21 La aplicación de la termodinámica clásica a los nanomateriales……..Pag.26 Nanotermodinamica moderna……………………………………………………....Pag.30 ¿Sin nanotermodinámica moderna?..................................................Pag.33 Conclusiones…………………………………………………………………………….…….Pag.34 Termodinámica y nanotermodinámica La termodinámica (del término griego termos, que significa "caliente" y térmica, lo que indica calor, + dinámicos, que significa "poderoso") es una rama de la ciencia que trata de: · el estudio de la energía y su inter conversión. · El estudio del calor y su relación con parámetros físicos (densidad de la presión de temperatura y propiedades medibles macroscópicas de la materia). · se basa en la experimentación Y la teoría refiriéndose en el concepto de equilibrio. Desarrollo de la termodinámica: La nanotermodinámica, como la simulación atomística, no es trivial, y entender la nanotermodinámica requiere algunos ajustes de los paradigmas termodinámicos preexistentes. Enérgicamente la nanotermodinámica es parte de las disciplinas en las que pertenecen al conjunto de la energía. La idea de la nanotermodinámica es colocar el dominio de la naturaleza de la termodinámica de las cosas pequeñas. La perspectiva nano La termodinámica se define en el marco de un proceso continuo que se centra en la transferencia de energía. · la termodinámica clásica nos ayuda a comprender cómo es el comportamiento de motores, de arriba hacia abajo para entender cómo las moléculas se comportan desde la perspectiva de propiedades promedio. · la mecánica estadística nos ilustra cómo la termodinámica se construye de abajo hacia arriba. · la mecánica cuántica para describir el comportamiento de los átomos y moléculas. Para entender el comportamiento de sistemas que implican procesos termodinámicos es importante conocer sobre: · 13 · la mecánica cuántica · termodinámica clásica · la teoría cinética · mecánicos estáticos · la mecánica cuántica · termodinámica pseudo-equilibrio · cuasi-equilibrio-la termodinámica · la termodinámica de no equilibrio · la termodinámica ergódico. Y ahora también la · nanotermodinámica. Todos entendemos que el comportamiento microscópico puede ser descrito utilizando los principios de la termodinámica clásica. Sin embargo, estos principios no parecen aplicarse a los sistemas vivos, ya que gran parte de lo que ocurre en la célula parece ser bastante misteriosa-bastante nanotermodinámica-como si una cuarta ley de la termodinámica fuera necesario para explicar lo que realmente ocurre dentro de la célula viva. Hay fuertes vínculos entre la nanotecnología y la naturaleza. Ya que esta ciencia está presente en muchas partes, como en la naturaleza (en la replicación, en el sistema biológico y no biológico). Por ejemplo, El proceso de la replicación es un proceso cinético más que termodinámico. Cuándo los nanomateriales biológicos comienzan a mostrar funciones especiales, las interrogantes son: ¿Qué motores termodinámicos hicieron esto posible? ¿Qué nanomateriales están presentes? ¿Qué hay de especial en los nanomateriales y qué relación tiene con la transferencia de la energía que hace funcionar la vida? Equilibrio de la termodinámica clásica Propiedades extensivas intensivas y funciones de estado. Las propiedades termodinámicas: intensivas y extensivas, Son términos que describen los parámetros físicos que son fundamentales para Termodinámica y para nanotermodinámica, aunque sea en una forma modificada. Las Propiedades intensivas son independientes del tamaño de un sistema. · Densidad (P) (gramos por centímetro cúbico) · Presión P (newtons por metro cuadrado) · temperatura T · potencial químico U Las propiedades extensivas son las que tienen dependencia lineal de la cantidad de la materia de tamaño involucrado. · · Energía interna (U) · entalpía (H) · energía libre de Gibbs (G) · energía libre de Helmholtz (A) · el volumen (V) · área (A) · la entropía (S) Desde un punto de vista matemático, las funciones termodinámicas ya sean homogéneas · de primer grado (= 1) se denominan funciones extensas · de grado de orden cero (= 0) se denominan funciones intensivas. La representación matemática es. (1) Donde f(x) es una función continua con las siguientes características: (1) los argumentos de la función son escaladas por ℎ (2) la función f es escalado por el factor (h) (3) la función es homogénea medida en el grado La entropía S La entropía es definida como: · el orden dentro de un sistema cerrado · la energía térmica disponible para hacer útil el trabajo · puede verse como una medida de desorden molecular o aleatoriedad molecular. Está completamente descrita por tres variables extensivas: la energía interna, volumen y número de particulas: S = S (U, V, N). El cambio en la energía interna U es una función de las variables extensivas solamente, U = U (S, V, N, X) un caso general en relación a U y las variables extensivas para el factor de escala del exponente Euler es. (2) Donde X simboliza todos los otros tipos de variables extensivas. Para la energía libre de Gibbs G = G (N, P, T), solo depende de N (P y T son propiedades intensiva). Por lo tanto, G (N, P, T) G es una función homogénea de grado 1 con un gran argumento N, desde el teorema de Euler. (3) La ecuación (8.3) es una ecuación importante y sirve como una discusión de punto de partida de la nanotermodinámica. La descripción de un sistema termodinámico requiere al menos una función extensiva y al menos una función intensiva. También es cierto que la relación de dos cantidades extensivas resulta en una cantidad intensiva de entropía por número de moles de (S / N) es una propiedad intensiva y se define por la relación de masa -volumen. La ecuación de Gibbs-Duhem (4) Es una combinación de variables extensivas e intensivas. Las variables intensivas no son independientes una de otra, conociendo los valores de dos de las variables se puede encontrar el valor de la tercera. Las variables conjugadas que consisten en una propiedad intensiva y una información sobre el rendimiento de una propiedad extensiva de un sistema termodinámico como: · volumen-presión (parámetros mecánicos) · la temperatura-entropía (parámetros térmicos) · número potencial de partículas químicas (parámetros de los materiales). Los términos extrínsecos e intrínsecos se utilizan en termodinámica también, pero no deben confundirse con las propiedades extensivas e intensivas. El término extrínseco implica componentes, fenómenos y condiciones fuera de un sistema mientras que el término intrínseco implica lo contrario. Funciones del Estado El valor de una propiedad en un estado de equilibrio termodinámico se llama una función de estado. Las propiedades que son independientes del camino seguido para llegar a un estado final desde un estado inicial son funciones que contienen diferenciales exactas donde i representa el estado inicial y f el estado final. (5) La primera ley de la termodinámica se representa como U = q + w, donde q y w son el calor y el trabajo, respectivamente. La q y w son las variables dependientes en el camino tomado y por lo tanto no son funciones de estado. El sistema, sus alrededores, y Equilibrio Sistema: Un sistema es casi cualquier cosa. Se trata de una región del espacio dentro de la cual existen diferentes componentes que interactúan entre sí, intercambiando energía y en ocasiones masa. Un sistema termodinámico está constituido por alguna parte del universo físico que nosotros consideramos para su estudio. Estos pueden ser: · Sistema aislado: Es aquel que no intercambia ni materia ni energía con su entorno, es decir se encuentra en equilibrio termodinámico. · Sistema cerrado: Es el que puede intercambiar energía pero no materia con el exterior. · Sistema abierto: En esta clase se incluyen la mayoría de sistemas que pueden observarse en la vida cotidiana, ya que intercambia materia con el exterior e intercambia energía con el entorno. · proceso adiabático a aquél en el cual el sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Equilibrio termodinámico Implica que se permiten cambios reversibles sólo infinitesimales de parámetros termodinámicos. Estos cambios infinitesimales se producen en el avance o la dirección inversa (también conocido como un proceso reversible). Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando la temperatura, la presión, y el material se encuentran en equilibrio. Por ejemplo. Energía libre de Gibbs de un sistema se considera que este potencial termodinámico se reduce al mínimo. El estado de equilibrio de la energía libre de Gibbs con temperatura y presión (T, P) constante se representa por. (6) O cuando todos los potenciales químicos son calidad (equilibrio difusivo o material) (7) Donde μ representa el potencial químico de una sustancia. Los alrededores: es la parte de dicho universo que interacciona con el sistema. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isotrópico. · Un proceso reversible es el que está en equilibrio y no causa ningún cambio en el sistema o sus alrededores. · Un proceso irreversible hace que el sistema se aparte definitivamente de su estado original. Los factores que causan la irreversibilidad son la fricción, la mezcla, la convección, la turbulencia, y la transferencia de calor. Los parámetros que describen un estado termodinámico consisten en combinaciones de variables intensivas y extensivas: P, V, T, N, μ, £, U, H, A y G. Leyes de la termodinámica Ley cero de la termodinámica La ley cero conocida con el nombre de la ley del equilibrio térmico fue enunciada en un principio por maxwell y llevada a ley por fowler y dice: “Si dos sistemas termodinámicos se encuentran separados en equilibrio térmico con un tercero, también se encuentra en equilibrio térmico uno con el otro” El equilibrio térmico debe entenderse como el estado en el cual los sistemas equilibrados tienen la misma temperatura. Esta ley : · ayuda a comparar los sistemas. · permite clasificar a todos los sistemas termodinámicos. · permite clasificar a los conjuntos termodinámicos, tales que los elementos de un conjunto dado se encuentran en equilibrio entre sí. · es necesaria para el desarrollo de la termodinámica. Fig. 1. Ley cero de la termodinámica: “dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero están en equilibrio entre sí” a) A y B se encuentran en equilibrio térmico con C. b) A y B se encuentran en equilibrio térmico entre si. Los sistemas A y B están separados entre si por una pared adiabática, pero cada uno de ellos está en contacto térmico con el tercer sistema C a través de paredes diatérmicas, estando todo el conjunto rodeado por una pared adiabática. Ambos sistemas alcanzaran el equilibrio térmico con el tercero y no habrá ningún cambio posterior si la pared adiabática que separa A y B se remplaza por una pared diatérmica. Primera ley de la termodinámica Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824. El entendió muy bien el concepto de que ¨el calor no es más que la fuerza motriz o más bien el movimiento de un cambio, la fuerza es una cantidad invariable en la naturaleza, esto es nunca se destruye o produce¨ En otras palabras: "La energía no se crea ni se destruye: solo se transforma" El cambio en la energía interna de sistemas termodinámicos cerrados es igual a la suma de la cantidad de energía térmica suministrada al sistema o creada por el sistema o el trabajo hecho en el sistema. Esto tiene que ver con la conservación de la energía: (8) Donde , es la energía total, y son macroscópicamente cinéticas y energías potenciales, respectivamente y es la energía interna. Para sistemas cerrados, la primera ley es: (9) Donde y son calor y trabajo, respectivamente. El calor especifico (o capacidad calorífica) es la cantidad de calor (energía) requerida para elevar las temperaturas de 1g de sustancia a 1°C. (10) Donde es el calor contenido, es la masa de la sustancia, y es el cambio en la temperatura. La capacidad calorífica es expresada en joules por kelvin Si se mide a volumen constante, la capacidad calorífica es llamada capacidad calorífica a volumen constante : (11) Y Si se mide a presión constante, entonces es llamada capacidad calorífica a presión constante ; = (12) Los nanomateriales tienen propiedades muy diferentes a su forma bulk del mismo material, por lo que el nivel de energía es importante en los nanomateriales ya que representa la cantidad de energía requerida para superar las interacciones intermoleculares débiles y enviar moléculas en diferentes trayectorias. Si la energía de las interacciones moleculares es inferior a su valor umbral, entonces es probable que la atracción electrostática que sostienen dos moléculas juntas pueda ser superada por la energía térmica ambiental. Las fuerzas intermoleculares son de naturaleza electrostática. Cada enlace de hidrogeno contribuye a un pequeña cantidad de energía para todo el sistema. La segunda ley de la termodinámica · trata a cerca de la entropía y el equilibrio. · Afirma que los procesos ocurren en cierta dirección y no en la dirección contraria. · Afirma que la energía tiene cantidad así como calidad. · La esencia de la segunda ley es que, para un sistema aislado, las condiciones proceden al estado de máxima entropía. La tercera ley de la termodinámica. Fue desarrollada por Walther Nerst en la primera parte de del siglo XX. Hubo una modificación de la tercera ley propuesta por M. Randall y G.N. Lewis. Ellos agregaron que no solo el cambio en la entropía tiende a cero, sino que también el valor de la entropía llega a ser cero. Establece que la entropía de una sustancia cristalina pura en el cero absoluto es cero S (0K)=0 La condición de S=0 corresponde al orden perfecto. La tercera ley de la termodinamica: · proporciona un punto de referencia absoluto para determinación de la entropía. · Se ocupa de la entropía de las sustancias en el cero absoluto. Parámetros fundamentales de la termodinámica. Los parámetros relacionados son: · Presión (P) · Volumen (V) · Temperatura (T) · Número de moles o cantidad de material contenido (n o N) · Energía (E) · Trabajo realizado (W) Y los los términos como: · Calor específico (C) · Potencial químico (U) · Entalpia (H) · Entropía (S) · Energía libre (G) Son fundamentales para la termodinámica. · La energía interna es el calor contenido en el sistema a volumen constante y temperatura. · La entalpia (H) es el contenido de calor del sistema bajo presión constante y temperatura. · La entropía (S) contribuyen a cambios espontáneos en el sistema y es la medida de desorden en niveles moleculares. La energía libre es definida como la suma del trabajo útil que puede obtenerse del sistema. Existen dos tipos de energía libre , la energía libre de Gibbs, G, y la energía de Helmholtz. · La forma de Gibbs es valida dentro del marco de presión y temperatura constante. · La forma de Helmholtz es valida a volumen y temperatura constante. Tabla 1.- Ecuaciones básicas de la termodinámica (parámetros termodinámicos) Parámetro - constante Forma común Comentarios Capacidad calorífica V es una constante Efecto Joule - Thomson H es una constante Segunda ley No todo tiene 100% de eficiencia Energía libre de Gibbs Dg=-SdT + VdP P y T son constantes Energía libre de Helmholtz Da=-SdT-PdV V,T son constantes Potencial químico T,P,n son constantes; las propiedades intensivas dan energía libre después de añadir o remover el material de un sistema abierto. Tercera ley Por Walther Nernst Constante de equilibrio estándar Para reacciones químicas Ecuación de Gibbs La ecuación fundamental de la termodinámica Ecuación de Clapeyron Cambio de fase para un componente del sistema Ecuación de Clausius-Clapeyron Fase de equilibrio Ecuación de Gibbs-Helmholtz Se usa para calcular el cambio de la energía libre de Gibbs como una función de temperatura Ecuación de van`tHoff para encontrar ,, , si , la constante de equilibrio, es conocida del oblicuo de ln k contra 1/T Ecuación de Kelvin Presión de vapor de un líquido bajo la curva superficial Ley de Raoult Vista molecular de la presión de vapor depresión-para líquidos (volátiles) Ley de Henry Presión de vapor parcial de un soluto en una solución ideal diluida. Potencial químico de una solución ideal Ecuación de Gibbs-Duhem El incremento de µ causa el decremento de µ para otras constantes T,P. Ecuación excesiva de Gibbs Desviación de los ideal Tensión superficial Unidades de j. Mecánica estadística Conocemos por ahora con las propiedades macroscópicas como: · · la energía · la capacidad interna de calor · entalpía · entropía · la conductividad (calor, electricidad) · la viscosidad · la energía superficial · comportamiento dieléctrico · el magnetismo · y muchos más. Por otro lado, las propiedades moleculares implican fuerzas y fenómenos tales como vibraciones, rotativos, geometría y estructura intermoleculares e intermoleculares. Se complementan con la mecánica estadística, mediante el conocimiento de los niveles de energía atómica / molecular con la expresión macroscópica de las propiedades de los materiales a granel y sirve de enlace entre la mecánica cuántica y la termodinámica clásica. Es el puente entre la termodinámica clásica a granel y propiedades moleculares. Microestados y macroestados El término "microestado" se refiere al estado cuántico de un sistema. Ludwing Boltzmann, tal vez uno de los físicos más brillantes, deriva su famosa ecuación, el principio de Boltzmann, en la última parte del siglo XIX, donde vincula la entropía (S), con una probabilidad y sirve como base para la mecánica estadística: (13) Donde W peso, representa el número de microestados (niveles de energía del sistema) que tengan una probabilidad significativa de ser ocupados. Otra forma popular del de la ecuación es que utiliza el logaritmo natural en lugar de El peso, W, de una configuración viene de la teoría de probabilidad y está representado por: (14) Donde es el número total de moléculas y representan microestados individuales (conjuntos específicos de poblaciones de moléculas). Cada molécula de población es representada por una energía . Tenga en cuenta que La capacidad de predecir las propiedades microscópicas es la ventaja fundamental de la mecánica estadística sobre termodinámica clásica. Ambas teorías están vinculadas a través de la segunda ley de la termodinámica a través del concepto de entropía. Conjuntos canónicas Un conjunto es un número infinito de que no tiene interacción (por ejemplo, que no interactúan químicamente) con sistemas de diferentes microestados que componen el mismo macroestado. Se dice que, un conjunto se compone de interacciones entre (por ejemplo, energía) moléculas que todos tienen la misma temperatura · Un conjunto canónico (del latín, canon, lo que indica "cordel de medir, regla, colección") se asocia con constantes N, V y T (por ejemplo, todos los sistemas tienen la misma temperatura) · un conjunto microcanónica con N, V y E (o U) cosntants (por ejemplo, todos los sistemas tienen la misma energía); · un conjunto canónico magnífico con constantes µ, V, y T (por ejemplo, es un sistema abierto). Para el conjunto canónico, uno de los principios básicos de un sistema de este tipo es que, en constante T, V, y N, todos los estados cuánticos con la misma energía tienen la misma probabilidad de ocurrir. La función de partición canónica (molecular) es (15) Donde: · Z es la suma de todos los estados · Β es igual a () (la beta termodinámica) · es el nivel de "energía de la mecánica cuántica" del sistema macroscópico Del estado j es proporcional a la probabilidad p, del estado j (16) Esta es la probabilidad de que un sistema de volumen fijo, la temperatura, y la composición está en el estado j cuántica de energía E1. Y para el sistema que tiene la energía de E1. (17) Donde es el número de estados cuánticos degenerados con energía E1. La mecánica estadística se basa absolutamente en la teoría de la probabilidad. Las siguientes relaciones mecánicas estadísticos se utilizan para expresar la presión, la energía interna, la entropía, la función de Helmholtz, y potencial químico. Observe cómo las expresiones matemáticas están vinculados en formas termodinámicas clásicas pero con la adición de un componente estadístico: (18) (19) (20) (21) (22) Otros tipos de termodinámica Un sistema termodinámico es uno que requiere de energía, que es dependiente de un entorno y cuyo dilema fundamental es el equilibrio Cerca del equilibrio, no lineal, de no equilibrio, en estado estacionario, y pseudoequilibrio termodinámico son términos que se encuentran al estudiar nanomateriales. Todos los tipos de termodinámica son parte del continuo equilibrio termodinámico. · Cuasi-equilibrios. La mayoría de los experimentos de termodinámica de no equilibrio se llevan a cabo en condiciones cercanas al equilibrio (condiciones no demasiado lejos del equilibrio). · pseudoequilibrio (pseudo-, del griego "falsos, fingidos o errónea") el término implica que hay algún tipo de equilibrio aparente en el sistema pero que no acaba de ajustarse a los criterios necesarios para un verdadero equilibrio. puede referirse a un sistema que se limita cinéticamente pero todavía demuestra un cierto grado de reversibilidad - tal vez llamado seudo reversibilidad. · no equilibrio, esta parte de la termodinámica implica irreversibilidad, las fluctuaciones, la disipación, los sistemas abiertos, y los "independientes de tiempo (estado de equilibrio) sistemas termodinámicos" A principios de 1990, el desarrollo de métodos de micromanipulación permitió a los investigadores estudiar las fluctuaciones de energía de los sistemas pequeños. En termodinámica macroscópica, el comportamiento es predecible y, por tanto, las fluctuaciones (por ejemplo, desviaciones del comportamiento ideal) se promedian en el conjunto del sistema y por lo tanto vuelven insignificantes. En un sistema pequeño de no equilibrio, las fluctuaciones pueden dominar como materiales adquieren dimensiones más pequeñas. La termodinámica del no equilibrio Es la rama de la termodinámica que estudia los sistemas termodinámicos que se encuentran fuera del equilibrio termodinámico. La mayor parte de los sistemas que se encuentran en la naturaleza no están en equilibrio termodinámico, puesto que están cambiando o se les puede obligar a cambiar en el tiempo y están sujetos continua o discontinuamente a flujos de materia y energía hacia otros sistemas y a reacciones químicas. Todos estamos familiarizados con la reacción irreversible. Un ejemplo de una reacción irreversible de un material que es cinéticamente estable es la explosión de nitroglicerina, la nitroglicerina es termodinámicamente inestable pero cinéticamente estable a menos que empieces agitando el líquido o se deja caer. La reacción es irreversible. Los fullerenos son termodinámicamente menos estables que el grafito, pero son cinéticamente estables. Todo depende del entorno, el comportamiento termodinámico de nano materiales muy dependiente tanto de su entorno inmediato. ¿Esto Implica que los nanomateriales poseen características inherentemente del no equilibrio? La estabilidad cinética: · se relaciona con la energía necesaria para iniciar una reacción de la entropía producida en una reacción irreversible. · se demuestra por coloides que son termodinámicamente estables o inestables con respecto a sus homólogos El concepto de pseudoequilibrio El pseudoequilibrio es un estado de un sistema en el que existe la distribución de un componente de interés entre la fase sólida y líquida y no cambia en más de equilibrado. el tiempo de equilibración requerido para alcanzar este estado de pseudoequilibrio depende de las condiciones experimentales. Fenómenos pseudoequilibrio se encuentran a menudo en la adsorción y los estudios catalíticos que son finalmente descubiertos en el análisis cinético posterior. En el mismo sentido, podemos decir que pseudoequilibrio implica un estado estabilidad de un sólido en con el contenido de energía libre es mayor que el que caracteriza al estado de equilibrio. Una constante de velocidad de pseudoequilibrio puede ser considerada como la pizca asociado un proceso que está en constante desequilibrando el equilibrio En el Pseudoequilibrio se observan las condiciones de los plasmas de carbono para la deposición de diamante. Componentes de pseudoequilibrio se detectan en la conversión de metanol a CO2 y H2 en los poros de un catalizador después de análisis de la constante de equilibrio en el que se encontraron desviaciones significativas que se produzca. El confinamiento cinético de la reacción catalítica y los gradientes térmicos en los poros contribuyó a ser el estado pseudoequilibrio. Uno puede concluir con seguridad que el verdadero equilibrio es más probable que nunca existe en vivo en los plasmas, entornos acuáticos y otros sistemas de gran complejidad, la termodinámica ideal incluso, en los mundos naturales, no se sigue esta regla termodinámica. Sistemas celulares y subcelulares. La nanotecnología –particularmente nanomateriales- son fundamentales para la vida y su desarrollo. Los procesos y estructuras vivas no pueden ser explicados por termodinámica clásica aunque de alguna forma la termodinámica clásica impregna toda la biología. La cuarta ley de la termodinámica puede que llegue pronto, pero hasta entonces, daremos un breve vistazo dentro del nanoequilibrio termodinámico y aplicar algunos de sus conceptos para fenómenos biológicos Stephanie E. Pierce del departamento de ciencias biológicas de la Universidad de Alberta declaró en el 2002 que la organización de los sistemas de información en los seres vivos sigue la segunda ley en que la especiación se produce cuando estos sistemas se vuelven complejos y desorganizados y están sujetos a fuerzas ambientales. Ella declaró que “la entropía que conduce a la aleatoriedad subyace en el fenómeno de variación y especiación”. ¿Cómo se relaciona esto con el nanoequilibrio termodinámico? Stephanie Pierce continúa diciendo… “Estos toman y liberan energía al ambiente para sustentar los procesos vivos y haciendo esta función en un estado de no equilibrio. Aunque los organismos biológicos mantienen un estado muy lejos de estar en equilibrio, son controlados por la segunda ley de la termodinámica. Como todos los sistemas fisicoquímicos, los sistemas biológicos siempre están aumentando su entropía o complejidad debido al desgastante recorrido hacia el equilibrio. Pero a diferencia de los sistemas fisicoquímicos, los sistemas biológicos poseen información que les permite auto replicarse y amplificar continuamente su complejidad y organización conforme pasa el tiempo”. Fritjof Capra en su libro titulado “the web of life”, declara: “Enfatizamos en que la vida está en su mismo centro. Este es un punto importante para la ciencia, porque en el pasado paradigma, la física ha sido el modelo y búsqueda de la metamorfosis para todas las demás ciencias. “Toda la filosofía es como un árbol”, escribió Descartes.” Las raíces son metafísicas, los troncos son física y las ramificaciones son las demás ciencias”. La ecología más profunda ha superado esta metáfora Cartesiana… la física ha perdido su rol como la ciencia que provee la descripción más fundamental de la realidad. De todas maneras, no es generalmente reconocido hoy en día…hoy el paradigma cambia la ciencia, y sus niveles más profundos, implica un cambio de física hacia las ciencias vivas. Existen tres tipos de motores moleculares: · miosinas (músculos) · dinesinas (arrastradores internos) Y · kinesinas (arrastradores externos). Miembros de los sistemas de nanoequilibrio en estado estacionario que incluyen el vapor y los motores de automóviles, el movimiento de E. colli nadando en el agua, el motor artificial más pequeño y la acción de la kinesina. Debido a que estos sistemas requieren una entrada de energía y luego disipar la energía continuamente, se considera que están en un estado de nanoequilibrio. La función y operación del motor molecular de kinesina ofrece pistas para revelar algunos secretos del nanoequilibrio termodinámico a nanoescala. La diferencia entre sistema macroscópicos en nanoequilibrio en estado estacionario y sistema a nanoescala en nanoequilibrio en estado estacionario son profundas. Las fuerzas de fluctuaciones termales son consideradas como aleatorias, pero en sistemas pequeños, sus efectos pueden ser significativos y por lo tanto relativamente largos. Las fluctuaciones termales locales pueden causar fluctuaciones en , q y w. Para sistemas macroscópicos el radio de probabilidades de absorber y liberar calor en un sistema de equilibrio es igual a uno. (23) · Para grandes sistemas extensivos, la probabilidad de la absorción del calor por el sistema es insignificante. · Para sistemas pequeños, como motores moleculares, la probabilidad de absorción se vuelve significante –una violación aparente a la segunda ley. La nanotecnología es una gran parte de la fuerza motriz. Los nanomateriales son fundamentales para las cosas vivientes. Cuando uno reflexiona los aspectos entrópicos de los seres vivos, nos damos cuenta que el orden proviene del desorden para hacer funcionar las cosas vivientes. Aunque la entropía total en el universo está aumentando constantemente y la energía del sol es la fuente externa que maneja el estado estacionario, la entropía dentro de las cosas vivientes disminuye o se mantiene bajo control. Nanotermodinamica La Termodinámica de los nanomateriales, existente en algún lugar entre lo a granel y lo atómico, es un componente clave en la transferencia continua de energía al que nos referimos a menudo en este texto. También es un vínculo clave entre la termodinámica a granel y las aparentes termodinámicas de los seres vivos. Las investigaciones realizadas durante los últimos años han revelado que los nanomateriales no siguen las leyes estrictas establecidas por la termodinámica clásica. Como mencionamos anteriormente, los enfoques termodinámicos clásicos asumen que un sistema está en un estado de equilibrio. Esta suposición no siempre se aplica a todos los nanomateriales porque no todos los nanomateriales representan fases estables, pero sin embargo, muchos persisten. Algunas fases metaestables son estables el tiempo suficiente para aplicaciones de ingeniería. Una razón para esto es que una gran cantidad de energía que se gasta en la síntesis de los nanomateriales; esto es cierto especialmente para los métodos de fabricación de arriba hacia abajo (top-dow). Los nanomateriales es fases metaestables fabricados con métodos ascendentes se hacen así en condiciones de temperatura y presión moderadas, a diferencia de los métodos correspondientes del material bulk, en el que a menudo existen altas temperaturas y presiones o si se emplean los métodos de arriba hacia abajo(top-dow). La teoría de Wang y Wang sugiere que los efectos del tamaño son responsables de la formación de fases metaestables y que el efecto capilar debido a la curvatura de las partículas es suficiente para conducir fases metaestables en nuevas fases estables. En otras palabras, los nanomateriales tienen un mayor contenido de energía libre que sus homólogos a granel. Los nanomateriales tienen niveles más altos de energía que sus contrapartes a granel, sin embargo, pueden ser estables. Dado que el objetivo de la termodinámica clásica es reducir la energía ¿Cómo sucede esto y por qué persiste? Tal condición es posible si existe una gran proporción de estructuras desordenadas en cristales. La mayoría de los cálculos termodinámicos clásicos no se toman en cuenta. Por ejemplo, la energía de deformación asociado con una red cristalina juega un papel crucial en la termodinámica de estos materiales. De hecho muchos de los procesos de síntesis de nanomateriales se basan en la introducción de más defectos en la estructura de cristal como la igualdad de canal presionando angular (ECAP) y la deformación plástica severa (SPD). La detención de una estructura formada a una temperatura alta de pronta reducción de la temperatura convierte la energía térmica en los defectos de los cristales. Esta técnica se realiza mediante CVD, PVD, y procedimientos para metales y vidrios gruesos (BMG). Atrapar la energía química dentro de los nanomateriales también se lleva a cabo por métodos químicos húmedos. La energía atrapada es secuestrada en defectos cristalinos como mellizos (una firma de cristales altamente estresados). Por lo tanto, los principios termodinámicos se modifican a partir de su apariencia clásica para acomodar factores tales como cepas y defectos con el fin de explicar las propiedades y fenómenos de nanomateriales. Por lo tanto, hay varios enfoques nuevos para calcular los aspectos termodinámicos de los nanomateriales. El más común de ellos toma el tamaño de grano o el tamaño de partícula y las concentraciones de defectos en cuenta. Los enfoques más sofisticados emplean órdenes superiores de las interacciones atómicas. Los Nanosistemas pueden no ser lo suficientemente grande como para ASSIN extensas propiedades para ellos. Las partículas pueden ser consideradas como polymorfos de material a granel sin homogeneidad estática, uno de los principios de la teoría de Euler. En los nanosistemas, las propiedades intensivas pueden cambiar en un instante, en función del entorno de un estado de cosas no aplicables a los sistemas de equilibrio macroscópico; THR equilibrio de largo plazo implica que una cierta cantidad de una función de la inercia en efecto. Por lo tanto, la transformación de un estado de equilibrio a otro es un proceso infinitamente lento, que es independiente del tiempo. Las Transformaciones de los nanosistemas, por otro lado, son dependientes del tiempo. El parámetro λ, el exponente Euler, debe desviarse. Las unidades desde la nanotermodinámica pueden incluso asumir valores negativos. Lo que todo esto significa es que los parámetros termodinámicos como la entropía de los sistemas de pequeños dependen de un pequeño número de átomos y moléculas, su entorno y los factores temporales. La segunda ley de la termodinámica es importante, ya que implica que es imposible extraer calor de un depósito y convertirlo a trabajo. La extracción de "calor inusual" es imposible en la nanoescala, al menos en teoría. Debido a estas distintinciones fundamentales, el enfoque de la termodinámica clásica puede no ser precisa para los nanomateriales. Una nueva rama de la termodinámica, llamada “termodinámica no extensiva”, ofrece algunas teorías innovadoras que explican la transferencia de nanoenergía. Ahora estamos en desafío para explicar las propiedades entrópicos de sistemas pequeños que dependen de un número grande de átomos. Tabla 2 Comparaciones entre la macro y nanotermodinámica Parámetros Termodinámica Clásica Nanotermodinámica Numero de partículas N N es infinito N se puede contar Numero de variables independientes (grados de libertad) pocos grados de libertad Mas grados de libertad Relación superficie - volumen Minúsculo significante Limite termodinámico Si No Incertidumbre de heisemberg No es importante Es importante ambiente No es importante Es importante Tamaño No es importante Es importante Geometría No es importante Es importante fluctuaciones Pequeñas Grandes extensividad homogénea de grado uno (λ=1) λ es el exponente Euler pierde su significado a esta escala, los parámetros extensivos pueden cambiar de forma desproporcionada intensividad homogénea de grado cero (λ=0) pierde su significado, debido a las grandes fluctuaciones no puede ser retenido materiales de interés cualquier material a granel Gotitas, burbujas, espacios confinados, clusters, bordes, defectos, grandes moléculas, kinesins, enzimas. Transferencia de calor disipación de calor comportamiento disipación de calor y de rectificación Fluctuaciones Las fluctuaciones es todo aquello acerca de la segunda ley de la termodinámica, en general, las fluctuaciones son perturbaciones en un sistema - de equilibrio o de otra manera. Las fluctuaciones son variaciones en las propiedades extensivas o intensivas. · Para los sistemas microscópicos, las fluctuaciones no pueden ser ignoradas. Las fluctuaciones tienen impacto significativo cerca de los límites de transición de fase donde las condiciones de pseudoequilibrio prevalecen. Cuando un sistema está muy lejos de una transición de fase, las fluctuaciones no son importantes y es posible definitiva el sistema con la termodinámica. Además, cuanto mayor se hace, el impacto de los límites de fase (dos dimensiones) - superficies disminuye. · En sistemas pequeños de menos de unos pocos miles de átomos o moléculas, Las fronteras se vuelven más importantes, pero ya no están claramente definidos. Los Grupos pequeños de metales, por ejemplo, no poseen un punto de fusión bien definido porque en él así - llamado "límite de la fase" es difícil distinguir si el grupo está en forma líquida o sólida. Esta es la razón por la que el parámetro llamado “el punto de fusión” es una propiedad macroscópica. Las fluctuaciones dentro de un sistema de gran tamaño que tiene un número extremadamente grande de los componentes tienden a promediar a cero. La energía y el material en un subsistema pueden fluctuar (ΔU) y (Δ N), respectivamente, pero los valores medios obtenidos estadísticamente de las fluctuaciones de un gran sistema en el promedio límite termodinámico a cero. (Δ U) = 0 para la energía interna y (Delta N) = 0 de material. Las propiedades emergentes El concepto de las propiedades emergentes, aplica universalmente a cualquier sistema - No sólo los basados en la termodinámica-es bastante intrigante. Grupos de insectos como las abejas y las hormigas, por ejemplo, dependen de unas pocas señales químicas clave para desencadenar acciones que son responsables de casi la totalidad de su comportamiento. Una propiedad emergente se basa en las propiedades simples que, cuando se toman juntos y siempre con los estímulos adecuados, dan lugar a un nuevo nivel más alto de complejidad. Este sistema se caracteriza por una probabilidad finita de las vías que pueden desobedecer la segunda ley de la termodinámica, que son capaces de orden y la información del entorno a extraer. El sistema puede ser abierta (flujo de material) y no aislado (flujo de energía) desde el medio ambiente. Dependiendo de las condiciones ambientales, los átomos, las moléculas y las partículas son capaces de auto-organizarse a partir de las fases. Esta formación de fases y las fronteras se clasifica como un proceso emergente. Antecedentes El año 1960, Terrell L. Hill escribió un libro sobre termodinámica de pequeños sistemas, relatando su interés en sistemas coloidales, polímeros y macromoléculas. La noción de termodinámica pronto surgió. Su primer libro se dirigió a la termodinámica de estados metastables en microambientes.Un año más tarde Hill siguió con un libro de termodinámica considerando los niveles microscópicos de las estructuras metastables. R.S. Rowlinson en el 1983 Faraday explico resumiendo que para partículas menores de unos pocos nanómetros la “termodinámica y estática mecánica pierden su significado”. Gibbs inicio su principal contribución a la termodinámica añadiendo nuevos ´potenciales químicos de condiciones a la ecuación de energía del trabajo calorífico, la nanotermodinámica es empezada, como un siguiente paso añadiendo (en el nivel de ensamblaje) un futuro potencial de subdivisiones a los términos potenciales de Gibbs. La básica ecuación de la termodinámica puede entonces ser deducida eficientemente por estos puntos de comienzo. Hill declaro en el 2002 que la “termodinámica de un sistema pequeño por lo general es diferente en diferentes entornos”, en otras palabras, las propiedades de los materiales pueden depender en entornos circundantes y no solo en tamaño. También en el 2002, Hill, con R.V. Chamberlin, adapto términos de termodinámica clásica de principios a pequeñas partículas por tomar en cuenta efectos superficiales estudiados a partir de “pequeños sistemas ensamblados”. La moderna termodinámica empieza con Constantino Tsallis en 1988 quien propuso el concepto de entropía Tsallis y Tsallis estadística en su papel, “la posible generalización de estadística Boltzmann-Gibbs” a partir de este trabajo seminal por extensa termodinámica estuvo puesto. El sistema microscopico es capaz de llegar a ser más ordenando por pequeños periodos de tiempo debido a estos hallazgos relacionados, investigadores sienten que los limites podrían ser colocados en miniaturización porque “dispositivos de nanoescala no serán simples reduciendo la versión de masa equivalente” en que ellos podrían probablemente funcionar al revés. Recordando que la termodinámica macroscópica es una interpretación estadística de la conducta de masa del material. Cuando el tamaño de la muestra es reducido un gran grado, la estadística macroscópica no puede ser aplicada. La termodinámica para el comportamiento de las pequeñas partículas: · es diferente de la masa por el adictivo de la calidad donde es el inter facial de energía de la superficie y es el interfacial de la superficie del área. · un sistema de nanopartículas es capaz de exhibir cambios de estructura como una función de superficie en torno más bien que solo el tamaño de las partículas. · algunos materiales con diferente energía libre superficial puede causar cambios de estabilidad de faces cuando el tamaño de las partículas es reducido. La aplicación de la termodinámica clásica a los nanomateriales La maquinaria de la termodinámica clásica se puede ampliar con éxito a los nanomateriales, sin tener en cuenta los sistemas pequeños y la unidad de los datos cuantitativos. Un criterio es que el tamaño de la muestra sea relativamente grande. Alótropos La energía libre de formación de alótropos de carbono comparados con el grafito y el diamante. · Los fullerenos son " moléculas muy tensas " que se espera que sea menos estable (de energía más alto) que el grafito. Por lo tanto, se espera que los fullerenos adquieren una mayor estabilidad como carbonos adicionales se añaden a la estructura. · Los nanotubos de carbono de pared simple (SWNT), existen nanotubos de pared múltiple de carbono (MWNTs), fibras de grafito y tubos, y fullerenos todos en mayor energía que el grafito. Un nanotubo de carbono de pared simple es nada más que una hoja de grafito (llamado grafeno) enrollado para hacer un cilindro. Nanotubos de pared múltiple son una serie de tubos concéntricos de SWNT de diámetro creciente. Sistemas pequeños de termodinámica (la teoría de T. L. Hill) Esta nueva termodinámica, implica las modificaciones de términos de extensivos y la dependencia de nanomateriales en sus inmediatos alrededores su inmediato entorno. Un buen lugar para comenzar esto es con Gibbs-Thomson efectos y su descripción de la nucleación y el crecimiento de nanopartículas. (24) Esta ecuación describe el cambio de energía libre de pequeñas nanopartículas con · es el cambio de energía libre ante el volumen · es el cambio de energía libre ante la unidad de área superficial y · es la tención superficial (joules por metros cuadrados) como antes. Hill: teoría para sistemas pequeños. La termodinámica aplica límites en termodinámica clásica y mecánica estática: y donde es una constante. Si el volumen es duplicado, entonces la energía, la entropía y todas las otras propiedades extensivas son solo duplicadas, las propiedades intensivas permanecen siendo el mismo, reformulando esto significa que la termodinámica es solo valida si un sistema contiene un infinito número de partículas distribuidas en un infinito volumen con una densidad constante. Este punto de vista garantiza la existencia de extensividad sin fluctuaciones (independientes del entorno). La mecánica estadística es un significado por el cual la termodinámica limitada es aproximadamente de manera asintótica ¿porque si este no es un límite termodinámicos? Cuando las partículas asumen dimensiones pequeñas, como en el caso biológico y sistemas coloidales, el sistema de extensividad se descompone. En la masa la proporción de los átomos de la superficie son pequeños y la contribución de energía de superficies de la energía de los sistemas como un total es minúsculo sin embargo, en materiales pequeños, la superficie adquiere mayor influencia. Una modificación de la microscopia termodinámica es en otro. Hill presenta esta ecuación de Gibbs energía para un pequeño cluster. (25) Donde es el potencial químico, es un parámetro constante intensivo, y es menos. Como , la segunda parte de la ecuación se vuelve menos significante pero para partículas pequeñas como crusters, ambos términos son importantes en el primer escenario, el rendimiento de la energía por partícula-un parámetro aditivo extensivo. Sin embargo, si el segundo término en la ecuación (25) (el exponencial) se convierten en importante, entonces el concepto de extensividad para G no es más valido. Un arreglo matemático que restaura extensivita es. Donde (26) (27) Estos estados son para sistemas pequeños, un ensamble de constituyentes equivalente a replicas se convierte en un gran sistema que tiene la usual propiedad limitante infinitiva termodinámica. Un ensamble tal como estas propiedades desde una base macroscópica que estudia el nanodominio. Una consecuencia de esto, conforme a Hill es que estos parámetros termodinámicos son ensambles diferentes y no pueden ser equivalentes. El diferencial a partir de energía interna y las otras formas del total de sistemas por combinado la primera y la segunda ley de la termodinámica es (28) Para empezar nos deja visualizar un ensamble de N de componentes equivalentes (idénticas replicas independientes de pequeños sistemas) de un sistema material. Para un sistema macroscópico. La energía total, entropía y volumen etc. Son una función de los números de réplicas en los sistemas en libertad. y (29) Donde el término prohibido representa valores medios de réplicas. Otra región llamada la subdivisión potencial E es un tipo de potencial químico que incluye la contribución adictiva de sistemas pequeños a la energía total. Por lo tanto, por lo tanto para el conjunto de N pequeña de sistemas para constantes T,P, cambian en la energía de ensamble es dada por. (30) Obviamente, si nosotros tratamos un sistema microscópico, y la E es el término de subdivisión potencial se desvanecería. Para este ensamble de pequeños sistemas, y Ahora manteniendo T,P y N constante, integrando la ecuación (8.116) el producto. (31) Dividiendo la ecuación por el producto (32) Identificando E con G dada (33) Recordando que (34) Rescribiendo nosotros obtenemos (35) En el límite de la termodinámica. G es igual y el último término de la ecuación (33) desaparece. Esta es la adaptación de Gibbs-Hill adatadas para ´pequeños sistemas termodinámicos. En otras palabras esta adaptación de termodinámica macroscópica con adictivos términos que se dirige a efectos para sistemas pequeños. Esta forma de la termodinámica deambula lejos del equilibrio. Hay por supuesto hay un puñado de recientes interpretaciones que difieren desde este enfoque. Nanotermodinamica moderna En 1876, el físico Josef Loschmidt, en respuesta a la suposición de que el universo podría sufrir “muerte térmica” como un resultado de la segunda ley de la termodinámica, asumiendo la “paradoja reversibilidad” para la comunidad científica: “si el movimiento de las partículas individuales es considerado a ser reversible, ¿por qué en conjunto se comportan irreversibles?” Esta observación animo a Boltzmann para crear su concepto estadístico de entropía. Las ecuaciones de la termodinámica están basadas en el movimiento aleatorio de muchos números de Avogadro de las partículas. El calor siempre fluye en una sola dirección hacia el polo frio y la entropía siempre incrementa. Es correcto? Boltzmann, en la reformulación de su versión clásica de la segunda ley dentro de la forma extensa aceptada, entendiendo la importancia de las fluctuaciones estadísticas. Sin- extensividad y sin- intensividad Formulación y entropía de Tsallis: Ctsallis propuso una nueva definición para la entropía en 1989. Su concepto se resume en las ecuaciones (8.127) y (8.128) La idea de que la termodinámica de pequeños sistemas tienen componentes no- extensivos y no- intensivos esta fuera de contexto. Este concepto no remplazo a la estadística de Gibbs-Boltzmann, pero nos ofrece sistemas aleatorios caracterizados por no- ergocidad o estados metaestables (fluctuaciones). Hemos visto que los conceptos de la termodinámica clásica explican la termodinámica extensiva e intensiva y se complementan con formulaciones diferenciales e integrales. Esto es evidente para correcciones tales como con el propósito de restaurar la extensividad dentro de las formulaciones clásicas. El formalismo matemático de la nueva definición de Tsallis acerca de la entropía, está dada por: (8.127) Donde es la probabilidad del microestado i y donde 0 ≤ q ≤ 1. La entropía para dos sistemas independientes A y B con independiente probabilidad de ocurrir es Mohazzabi et al. En 2005 demostró mediante una simulación dinámica molecular, que la no- extensividad y la no- intensividad puede ser explicada dentro del formalismo de Boltzmann-Gibbs sin considerar la termodinámica de Tsallis. Ellos demostraron que la energía interna y la entropía son no-extensivas y que la temperatura y presión son no-intensivas. Nanotermodinámica de una sola molécula Es inevitable que nos ágamos esta pregunta: ¿es válida la termodinámica para el nivel de una sola partícula? Hemos dicho que la entropía sólo se aplica a un gran número de átomos y moléculas, y no tiene sentido para uno solo. Mostramos cómo construir la termodinámica del no-equilibrio para sistemas muy pequeños para ser considerados termodinámicamente en un sentido tradicional. Se demuestra, en particular, que las ecuaciones de Gibbs, cuando se formulan en términos de valores medios de las cantidades extensivas, sigue siendo válida, mientras que la Ecuación de Gibbs-Duhem se diferencia de las Ecuaciones obtenidos para sistemas grandes, debido a la falta de un límite termodinámico. Los potenciales de la posición media corresponden respectivamente a las energías de Helmholtz y de Gibbs. Modelado de nanomateriales Ejemplos de simulaciones por ordenador de los nanomateriales: · Silsesquioxano Poliédrica Oligomérica. El diseño de nanopartículas auto-montaje bottom-up que consiste Silsesquioxano Poliédrica Oligomérica (POSS) fue demostrado por un "método de simulación por ordenador de múltiples escalas" que incluía cuatro tipo de sistema de modelado: (1) ab initio cálculos de mecánica cuántica (2) simulación clásica molecular con campos de fuerza clásicos y reactivos (3) simulación Monte Carlo, y (4) simulación a mesoescala de grano grueso. El propósito del estudio es optimizar las propiedades ópticas, térmicas y mecánicas de nanopartículas metálicas que contienen los constituyentes de POSS funcionalizado. Las propiedades térmicas, vibracional, mecánica y estructural fueron los primeros estudios por ab initio y simulaciones MD. Los resultados se comparan con resultados experimentales preexistentes. Se encontró que las celdas de POSS tiene un único embalaje rombohedral que implica embalaje paralelo en forma de cristal. Las consecuencias de tal paquete son una mayor capacidad de portador de carga cuando es funcionalizado con acene tipo molecular. La Evaluación de las propiedades electrónicas de los compuestos orgánicos-inorgánicos simulaciones semiconductores híbrido a escenas pero característica de predicción mayor térmica y mecánica superior. Anteriores estudios involucran el modelo de POSS disuelto en hexadecano a 400-1000 k. funciones de distribución radiales, potencial de fuerza media, y coeficientes de auto-difusión eran determinadas por simulación dinámica molecular. Las simulaciones dinámicas moleculares canónicas se utilizaron para calcular las propiedades termodinámicas y de transporte del POSS. Parámetros de sustitución incluyen la sustitución o eliminación termodinámica y atómica. La simulación de las propiedades mecánicas de polímeros sintéticos mejorados con la incorporación de partículas metálicas a nanoescala. · Dodecanotiol SAMs. Las estructuras de equilibrio y las propiedades termodinámicas de monomolecular didecanotiol de capa auto-ensamblada se investigaron por simulaciones MD. Se encontró que a menor temperatura, las moléculas de pasivación se organizan en paquetes paralelos. Cuando la temperatura es elevada, los paquetes funden y cubren el oro de manera uniforme. La “temperatura de fusión” es mucho menor que los encontrados en un auto ensamblaje molecular convencional de dodecanotiol de una superficie plana. · Nanohuecos. La Nucleación y fusión de materiales que contienen nanohuecos también fueron investigados por simulaciones MD. Se demostró que el comportamiento de cuatro etapas de fusión en los nanomateriales difiere significativamente de la mayoría. La fusión en cada etapa depende de las interacciones entre los mecanismos termodinámicas que surgen de cambios en la energía interfacial libre, la curvatura de la interfaz, y la energía elástica inducida por el cambio de densidad durante la fusión. Por último, se demostró que la fusión dependerá de los defectos moleculares del material. · Modelado de propiedad bicapa lipídica. Una clásica simulación MD de modelos atómicos de interacción entre las nanopartículas de carbono de combustión-formado y bicapas lipídicas fueron realizados para determinar la estructura, dinámica y efectos termodinámicos en membranas biológicas. Los autores encontraron que la membrana actúa como un discriminador de partículas esféricas y estructuras, resultando en solvatación, movilidad, absorción y penetración alterada. Por ejemplo, de la simulación, fue a partir de que las partículas esféricas tienden a permanecer cerca de la superficie de la membrana biológica, mientras que una mayor relación de aspecto de partícula secuestrar a sí mismos, aunque no atrapado, dentro de las colas hidrófobas de la región hidrófoba de la membrana. El tamaño de partícula también fue modelado y se encontró que es un factor en la fuerza de adherencia a la membrana. El aspecto dinámico de este estudio fue bastante intrigante. Las nanopartículas generadas por la combustión, cuando dentro de la membrana, perturba la estructura de los lípidos naturales y, cuando se combina con la fluctuación térmica, induce la formación de poros en la membrana. Los métodos Monte Carlo y MD fueron empleados para este estudio. Todos los enlaces colgantes de los restos de carbono generados por la combustión se terminaron con hidrógeno en simulaciones. Campo de fuerza aplicada se obtuvieron de los no metálicos genéricos grupos de elementos principales. Un modelo de bicapa lipídica preprogramado se utilizó en la simulación MD; 64 lípidos se han aglomerado para formar una membrana de 34 A de grosor y se incluyeron 200 moléculas de agua. La longitud de la nanoparticula de carbono fue de 17 Å. ¿Sin nanotermodinámica moderna? Ninguna teoría es adoptada y aceptada plenamente. Guillermo de Ockham un filósofo siglo XIV y fraile franciscano, declaró (simplemente) que "la explicación de cualquier fenómeno debe incluir la menor cantidad de presunciones posibles, eliminando los que no hacen ninguna diferencia en las predicciones observables de la hipótesis explicativa o teoría" o "si todo sigue igual, las soluciones más simples tienden a ser el mejor ". Esta filosofía se expresa también como el "principio de parsimonia". Gheorghiu et al. declaro enfáticamente que lo fenomenal que caracteriza la distribución de poder de la ley es abundante en la naturaleza y en las ciencias aplicadas. Sus objetivos son estimar el valor medio de una población normalmente distribuida cuando el tamaño de la muestra es pequeño. Estas afirmaciones en efecto desafían las afirmaciones de Tsallis et al. y la teoría de sistemas ergódico en general - que existe inextensividad de sistemas pequeños. El comportamiento termodinámico de los materiales a escala nanométrica puede no ser el mismo que el comportamiento termodinámico de los mismos materiales a escala macroscópica. Los nanomateriales son sometidos a su entorno, especialmente a fluctuaciones térmicas, que no pueden ser considerados grandes en la escala macroscópica, pero que son importantes en el ámbito local. Tal comportamiento se expresa como no extensa. Definitivamente un anatema para termodinámico a un nivel grande. Términos como no equilibrio, pseudo-equilibrio, cuasi-equilibrio, y metaestable están asociados con los nanomateriales y se requiere un nivel más profundo de comprensión de los conceptos básicos para entender lo que ocurrió en la nanoescala. La relación entre las cosas termodinámicas y la vida, la importancia de los nanomateriales a los seres vivos. Conclusiones: La termodinámica es una ciencia macroscópica basada en leyes generales inferidas del experimento de cualquier “modelo” macroscópico de la materia. Su objetivo es a partir de unos postulados (leyes de la termodinámica), obtener relaciones entre las propiedades macroscópicas de la materia, cuando esta se somete a toda una variedad de procesos. Las predicciones teóricas de las magnitudes de estas propiedades están fuera del campo de la termodinámica, su obtención provienen del experimento y de disciplinas como la teoría cinética y mecánica estadística que tratan directamente con las estructuras atómica y molecular de la materia. La materia está compuesta de partículas de magnitud microscópica. Así pues un mol de una sustancia pura contiene millones y millones de átomos, electrones, moléculas, etc. Las cuales obedecen, a su vez, a ciertas leyes fundamentales, como las de la mecánica cuántica y en casos especiales a las leyes de newton. De modo que del punto de vista físico, está la cuestión de ¿Qué relación existe entre este aspecto atomista de la materia y el aspecto macroscópico concerniente a la termodinámica? Las investigaciones realizadas durante los últimos años han revelado que los nanomateriales no siguen las leyes estrictas establecidas por la termodinámica clásica. Los nanomateriales tienen niveles más altos de energía que sus contrapartes a granel, sin embargo, pueden ser estables. El sistema microscópico es capaz de llegar a ser más ordenando por pequeños periodos de tiempo, por lo que para partículas menores de unos pocos nanómetros la “termodinámica y estática mecánica pierden su significado”. La nanotermodinámica comienza: “la termodinámica de un sistema pequeño por lo general es diferente en diferentes entornos”, en otras palabras, las propiedades de los materiales pueden depender en entornos circundantes y no solo en tamaño. Lo que todo esto significa es que los parámetros termodinámicos como la entropía de los sistemas pequeños dependen de un pequeño número de átomos y moléculas, su entorno y los factores temporales. La termodinámica para el comportamiento de las partículas pequeñas es diferente al material macroscópico por su energía superficial y su gran área superficial. Un sistema de nanopartículas es capaz de exhibir cambios de estructura y cambios de estabilidad de faces cuando el tamaño de las partículas es reducido. La nanotermodinámica, como la simulación atomística, no es trivial, y entender la nanotermodinámica requiere algunos ajustes de los paradigmas termodinámicos preexistentes. Enérgicamente la nanotermodinámica es parte de las disciplinas en las que pertenecen al conjunto de la energía. La idea de la nanotermodinámica es colocar el dominio de la naturaleza de la termodinámica a las cosas pequeñas.