Představte si motor menší než smítko prachu, který je schopen se zahřát více než jádro slunce – aniž by byl horký. Toto není sci-fi; to je realita nového revolučního „motoru“ vytvořeného fyziky z King’s College London.
Tento motor není jako běžný spalovací motor. Místo pístů a paliva ho tvoří malinká skleněná kulička o průměru pouhých 5 mikrometrů – asi tisíckrát menší než šířka lidského vlasu. Tato malá kulička je zavěšena v téměř vakuu elektrickými poli, což vytváří prostředí, kde jsou její pohyby neuvěřitelně energické. Aplikací rychle se měnícího napětí na toto pole vědci způsobují intenzivní otřesy uvnitř koule, což způsobuje, že se chová, jako by byla v nepředstavitelném horku.
Přestože jsou tyto vibrace okem neviditelné, převádějí se do efektivní teploty 13 milionů stupňů Celsia – téměř stejné jako horké jádro našeho slunce. Ve srovnání s tím tato skleněná kulička nebude pálit vaši pokožku; místo toho jeho chování odráží stav extrémně vysoké energie způsobený rychlými pohyby spíše než tradičním molekulárním ohřevem. Jak vysvětluje fyzik James Millen: “Pohybuje se to jako blázen.”
Zatímco tato extrémní teplota je pro tak malý objekt pozoruhodným úspěchem, skutečný génius spočívá v pochopení toho, jak funguje jako model pro konvenční motory.
V termodynamice – vědě o teple, práci a energii – tato skleněná kulička funguje jako miniaturní tepelný stroj. Takové motory fungují tak, že absorbují teplo z vysokoteplotního zdroje a uvolňují odpadní teplo do chladnější oblasti, čímž přeměňují tepelnou energii na mechanickou práci.
Úžasné na tom je, že tento maličký motor má neobvykle vysoký teplotní poměr za tepla a za studena přibližně 100. To překračuje typické poměry účinnosti u komerčních motorů, které jen zřídka překračují hodnotu 3.
Tento malý zázrak ale není jen o rekordních teplotách. Studie odhaluje něco stejně fascinujícího: chování těchto malých motorů je neuvěřitelně chaotické a předvídatelné. Účinnost se pohybuje ve velmi širokém rozmezí – někdy dosahuje závratných 200 %, jindy klesá až k 10 %! Čas od času funguje i obráceně, místo toho, aby ho uvolňovalo, absorbuje teplo!
Toto chaotické chování zdůrazňuje kritický fakt o termodynamice v mikroměřítku: věci jsou neuvěřitelně divné. Fyzik James Millen ji výstižně charakterizuje jako „neintuitivní jako něco jako kvantová mechanika“. Tento svět mikroskopických systémů funguje podle jiných pravidel než naše makroskopická zkušenost.
Ačkoli to není praktické pro každodenní použití, tato malá skleněná kulička motoru poskytuje neocenitelný pohled na vnitřní fungování biologických systémů. Buňky fungují v podstatě ve stejném měřítku, se složitými proteinovými strukturami neustále otřesenými jejich prostředím.
Pochopení těchto mikroskopických “motorů”, jako je kinesin – motorový protein zodpovědný za přepravu nákladu v buňkách – závisí na rozluštění toho, jak produkují energii a fungují v tomto chaotickém prostředí. Tento mimořádný motor se skleněnými koulemi poskytuje dokonalou platformu k odhalení tajemství těchto malých biologických strojů.
Manipulace s elektrickým polem kolem skleněné kuličky umožňuje výzkumníkům přímo pozorovat vliv částice na teplotu. Tento jev, známý jako difúze závislá na poloze, je zásadní pro procesy, jako je skládání proteinů – v podstatě to, jak proteiny nacházejí své správné tvary v buňkách.
Naprostý rozsah a složitost takových miniaturních systémů činí jejich studium neuvěřitelně náročným. Tento jedinečný „motor“ umožňuje výzkumníkům přímo zkoumat základní otázky tepla, práce a energie na nejzákladnější úrovni, čímž připravuje cestu k průlomům v našem chápání mikroskopické fyziky i fungování života samotného.
