Oamenii de știință au dus termodinamica la un nivel complet nou – cel microscopic – și au construit cel mai fierbinte motor din lume, atingând o temperatură efectivă comparabilă cu cea din miezul Soarelui. Deși știința schimbului de energie și căldură stă la baza vieții noastre moderne și a destinului universului, încă există mistere nerezolvate, mai ales în ceea ce privește funcționarea acestor teorii la scară microscopică.
O echipă de la King’s College London a investigat exact acest aspect, construind un motor dintr-o singură particulă. Un motor este un dispozitiv care transformă energie în lucru mecanic, fiind un obiect de studiu clasic în termodinamică. Dar, deși știm cum funcționează la scară mare, lumea micro este o cu totul altă poveste.
„Ideea a fost să putem construi un [motor] de dimensiuni microscopice. Astfel, poți face comparații foarte ușoare între ceea ce este similar cu lumea macroscopică și ceea ce este diferit”, a explicat autorul principal Molly Message conform IFL Science.
Acest motor microscopic este o bilă de siliciu de 5 micrometri care levitează într-un câmp electric, în vid. Puținele particule de aer rămase au acționat ca rezervor rece, în timp ce câmpul electric modificat a creat vârfuri de energie, acționând ca rezervor cald. Acest proces a făcut ca bila de sticlă să vibreze cu o intensitate incredibilă.
În lumea micro, temperatura este definită prin vibrația moleculelor. Cu cât vibrația este mai mare, cu atât obiectul este mai fierbinte. Iar sistemul a făcut ca bila să vibreze atât de rapid, încât temperatura sa echivalentă a devenit stelară.
„Temperatura rezervorului cald pe care o atingem este de 16 milioane de kelvini, la fel de fierbinte ca miezul Soarelui”, a confirmat Message.
Motorul microscopic: date esențiale
| Caracteristică cheie 🔑 | Detaliu incredibil 🤯 |
|---|---|
| 🔥 Temperatură | 16 milioane K (La fel de fierbinte ca miezul Soarelui!) |
| 🔬 Dimensiune | Doar 5 micrometri (o singură particulă de siliciu) |
| ⚙️ Eficiență imposibilă | A calculat o valoare teoretică de ordinul miilor |
| 🧊 Comportament bizar | Poate acționa spontan ca un frigider |
Cum acest motor microscopic sfidează legile termodinamicii
Însă aici lucrurile devin cu adevărat ciudate. Studiul a scos la iveală comportamente care par absurde la prima vedere. Când echipa a redus schimbul de căldură din rezervorul cald aproape de zero, a calculat o eficiență aparentă a motorului de ordinul miilor.
Eficiența unui motor variază de la 0 la 1 (sau 100%) și nu poate depăși niciodată această valoare. Aici nu avem de-a face cu un motor ultra-eficient, ci cu un scenariu în care descrierile noastre clasice pur și simplu nu mai funcționează. Un alt comportament bizar a fost capacitatea motorului de a acționa brusc ca un frigider. Într-o mașină, asta ar fi un motiv de îngrijorare, dar în lumea micro, indică o complexitate fascinantă care așteaptă să fie explorată.
Aceste „ciudățenii” – eficiența imposibilă și comutarea spontană în rol de frigider – nu sunt erori, ci le-am putea considera indicii prețioase. Acestea demonstrează că la scară microscopică, intuiția noastră formată în lumea macroscopică își atinge limitele. Aici, granița dintre termodinamica clasică și mecanica cuantică devine neclară.
Acest experiment deschide o cale neașteptată către anumite întrebări fundamentale. Ce se întâmplă când o singură particulă este și motor, și combustibil, și sistem de răcire în același timp? Răspunsul ar putea rescrie capitole întregi din manualele de fizică și ar putea oferi baza pentru tehnologii complet noi, cum ar fi computerele cuantice sau materialele cu auto-reglare termică.
Viitorul acestui motor microscopic: de la experiment la nanoboți?
Ar putea fi folosit așa ceva pentru nanoboți, ca în science-fiction? Răspunsul este nu, cel puțin nu încă. La scară nano, moleculele sunt la fel de mari ca vehiculul însuși, iar forțele sunt mult mai puternice. Motorul echipei nu este unul practic, dar este un instrument esențial care ne arată cum ar putea funcționa unul într-o zi.
„Nu este un motor util în acest sens, dar este începutul procesului de a ne gândi cum am putea construi așa ceva”, a concluzionat Message.
Studiul a fost acceptat pentru publicare în revista științifică Physical Review Letters și este disponibil pe serverul arXiv.
