Apró motor, a Nap magjának hőmérsékletén: Rekordkísérlet a termodinamika legkisebb határán
Fizikusok apró, részecskeméretű motort hoztak létre, amely a Nap legbelső magjához közelítő hőmérsékleten működik. A kísérlet célja nem egy apró gép meghajtása, hanem a termodinamika legszélső értékeinek feltárása és a biológiai folyamatok jobb megértése. A felfedezés segíthet megérteni a gyógyszerek testben való szállítását vagy a fehérjék működését.
A King’s College London kutatói vákuumban levitáltak egyetlen szilícium-dioxid részecskét, és szimulált hőmérsékletnek tették ki, amely meghaladta a 10 millió Kelvint (10 millió Celsius-fok). Ezzel egy mikroszkopikus Stirling-hőmotort hoztak létre, amelynek működése betekintést nyújt a testünkben zajló komplex mikroszkopikus folyamatokba is.
Pozíciófüggő diffúzió: kulcs a biológiához
„Ez a kísérleti platform nagy ígéretet hordoz, mivel képes szimulálni és feltárni nemcsak a magas hőmérsékleteket, hanem a biológiailag releváns, pozíciófüggő diffúzió termodinamikai forgatókönyvét is” – írja a Molly Message fizikus vezette csapat.
A pozíciófüggő diffúzió kulcsfontosságú például a fehérjék hajtogatódásának és a tömegtranszportnak a megértésében biológiai környezetben.
Hogyan működik az apró motor?
A mikroszkopikus Stirling-motor egy lezárt gázt vagy folyadékot melegít és hűt, amely a tágulás és összehúzódás ismétlődő ciklusában hőt mechanikai energiává alakít. A mikroszkopikus Stirling-motor ugyanezen elveken működik, de mikrométeres léptékben.
Message és kollégái a motort egy mindössze 4,82 mikrométer átmérőjű gömb alakú szilícium-dioxid részecske köré építették – ez a hajszál szélességének töredéke. A részecskét elektromos mezők csapdájában levitáltatták, ahol tudott egy kicsit mozogni, de nem tudott elmenekülni.
Ezután elektromos zajt alkalmaztak a részecskére, hogy akár 13 millió Kelvin hőmérsékletet szimuláljanak – jóval melegebbet, mint a Nap felszínének 5800 K-es hőmérséklete, és megközelítve a magjában lévő 15 millió K-et.
Elképesztő hatékonysági ingadozások
Ezek effektív (nem fizikai) hőmérsékletek: a rendszerre alkalmazott elektromos zaj hatására a szilícium-dioxid részecske pontosan úgy mozgott, ahogyan 13 millió K hőmérsékleti körülmények között tenné.
Eközben a részecske körüli „hűvös” környezet körülbelül 100-szor alacsonyabb hőmérsékleten maradt – ez a kontraszt valós Stirling-motorban elérhetetlen lenne –, lehetővé téve a termodinamika olyan mértékű vizsgálatát, amely teljes méretben nem lehetséges.
A csapat a rendszert először a zaj alkalmazásával működtette a részecske „felmelegítésére”. Ezután beállították az elektromos csapdát, hogy a részecske jobban mozoghasson – ez volt a Stirling-ciklus tágulási fázisa. Majd az összehúzódási fázisban a zajt kikapcsolták, lehetővé téve a részecske „lehűlését”, mielőtt a csapdát újra beállították a mozgás csökkentésére.
A kutatók minden kísérletet 700 és 1400 ciklus között futtattak, hogy részletesen tanulmányozzák a rendszer viselkedését. Hatalmas ingadozásokat találtak a hőcserében, valamint rövid időszakokat, amikor a részecske több munkát végzett, mint amennyi hőt felvett, átmenetileg 100 százalék feletti hatékonyságot mutatva.
A valóban érdekes rész az, hogy a részecske nem véletlenszerűen mozgott a csapdában; mozgása attól függött, hol helyezkedett el a csapdában. Amikor egy közeg hőmérséklete és állaga megváltozik, az megváltoztatja a részecskék áthaladásának módját, ezt a jelenséget pozíciófüggő diffúziónak nevezik.
Ez a felfedezés azért fontos, mert a kutatók rendszere lehetőséget teremthet olyan problémák vizsgálatára, mint a gyógyszerek testben való szállítása. A csapat most reméli, hogy a mikroszkopikus Stirling-motort még tovább tudja hajtani az egyensúlyi állapottól, feltárva a legapróbb léptékű mozgást és energiát szabályozó furcsa, ingadozó fizikát.
A kutatás a Physical Review Letters folyóiratban jelent meg.
