Naučnici s King’s Collegea u Londonu napravili su sićušni motor, veličine jedne čestice, koji radi na temperaturama višim od onih u samoj jezgri Sunca. Ovaj revolucionarni eksperiment ne služi za pokretanje minijaturnih mašina, već otvara prozor u najdublje ekstreme termodinamike, nudeći iznenađujuće uvide u osnovne zakone fizike i, neočekivano, u složene mikroskopske procese koji se odvijaju unutar naših tijela.
Kako radi motor veličine čestice?
U središtu eksperimenta nalazi se sferna čestica silicijum-dioksida promjera svega 4,82 mikrometra, to je djelić širine ljudske vlasi. Naučnici su tu česticu levitirali unutar vakuuma pomoću posebne električne zamke poznate kao “Paulova zamka”.
Unutar zamke, čestica može lagano titrati, ali ne može pobjeći.
Ovaj sistem funkcioniše kao mikroskopska verzija Stirlingovog motora, koji pretvara toplotnu energiju u mehanički rad kroz ciklično zagrijavanje i hlađenje radnog fluida. Ovdje, međutim, nema klasičnog zagrijavanja, tim umjesto toga primjenjuje “električni šum” na elektrode koje drže česticu.
Taj šum uzrokuje da čestica titra na način koji oponaša kretanje pod uticajem ekstremne topline. Na taj način postižu se “efektivne” temperature i do 13 miliona Kelvina, znatno više od 5.800 K na površini Sunca i gotovo koliko i 15 miliona K u njegovoj jezgri.
Ciklus motora odvija se u četiri faze:
Zagrijavanje: primjenjuje se električni šum kako bi se čestica “zagrijala”.
Ekspanzija: električna zamka se podešava kako bi čestici omogućila više prostora za titranje.
Hlađenje: šum se isključuje, dopuštajući čestici da se “ohladi”.
Kontrakcija: zamka se ponovo podešava i smanjuje prostor za titranje.
Ovaj pristup omogućava naučnicima da stvore temperaturne kontraste koji bi bili nemogući u stvarnom motoru, otvarajući put za istraživanje termodinamike u uslovima daleko izvan onoga što je moguće u makroskopskom svijetu.
Prividno kršenje zakona fizike
Tokom eksperimenata, koji su se ponavljali između 700 i 1400 puta po ciklusu, naučnici su primijetili ponašanja koja na prvi pogled prkose intuiciji i osnovnim zakonima termodinamike. Zabilježene su ogromne fluktuacije u izmjeni topline, kao i kratki trenuci u kojima se činilo da motor proizvodi više rada nego što je utrošio topline, prividno dostižući efikasnost veću od 100 posto.
U nekim ciklusima, sistem se čak hladio umjesto zagrijavao.
„Ponekad mislite da ulažete pravu energiju i mehanizme za pokretanje toplotnog motora, a na kraju pokrećete frižider“, objašnjava Molly Message, glavna autorica studije.
Ovi fenomeni, ipak, ne ruše Drugi zakon termodinamike. Taj zakon važi za prosječne vrijednosti na velikoj skali. Na mikroskopskoj razini, gdje nasumični utjecaji, poput sudara s jednom molekulom zraka, mogu drastično promijeniti dinamiku, dozvoljene su ogromne, kratkotrajne fluktuacije. Kada se svi podaci usredne, sistem se ponaša onako kako fizika predviđa.
Neočekivana veza s biologijom i medicinom
Najzanimljiviji dio otkrića leži u načinu na koji se čestica kreće. Njeno titranje nije bilo potpuno nasumično, kao kod obične difuzije. Umjesto toga, kretanje je zavisilo od položaja unutar zamke. Ova pojava, poznata kao “difuzija zavisna od položaja”, ključna je za razumijevanje procesa u biološkim sistemima.
„Proteini su motori koji pokreću većinu važnih procesa u našem tijelu, pa je razumijevanje njihove mehanike ključno za razumijevanje bolesti i načina njihovog liječenja“, ističe dr. Jonathan Pritchett, jedan od istraživača.
Tim se nada da bi se njihov sistem mogao koristiti kao “analogni računar” za modeliranje savijanja proteina. Savijanje proteina odvija se u milisekundama, dok se atomi koji ih čine kreću u nanosekundama, što stvara ogroman izazov za digitalne simulacije.
Fizičkim modeliranjem tih procesa, naučnici bi mogli zaobići računalne prepreke i steći dublji uvid u bolesti poput Alzheimerove ili Parkinsonove.
Ovaj mikroskopski motor možda nikada neće pokretati automobil, ali pokreće naše razumijevanje svemira, od temeljnih zakona fizike do sićušnih bioloških mašina koje omogućavaju život.
Njegova prava snaga leži u sposobnosti da istraži neintuitivan, promjenjiv svijet koji postoji na najmanjim ljestvicama.