Bayangkan sebuah mesin yang lebih kecil dari setitik debu, mampu mencapai suhu lebih panas dari inti matahari – tanpa benar-benar panas. Ini bukanlah fiksi ilmiah; ini adalah realitas “mesin” baru yang revolusioner yang diciptakan oleh fisikawan di King’s College London.
Mesinnya bukanlah mesin pembakaran biasa. Alih-alih piston dan bahan bakar, ia terdiri dari bola kaca sangat kecil yang lebarnya hanya 5 mikrometer – kira-kira seperseribu lebar rambut manusia. Bola kecil ini diangkat dalam kondisi hampir vakum menggunakan medan listrik, menciptakan lingkungan di mana gerakannya menjadi sangat energik. Dengan menerapkan tegangan yang berfluktuasi dengan cepat ke bidang ini, para peneliti menyebabkan kegoncangan yang hebat di dalam bidang tersebut, menyebabkannya berperilaku seolah-olah bermandikan panas yang tak terbayangkan.
Meskipun tidak terlihat dengan mata telanjang, getaran ini menghasilkan suhu efektif sebesar 13 juta derajat Celcius – hampir menyamai inti panas matahari kita. Sebagai gambaran, manik kaca ini tidak akan membakar kulit Anda; sebaliknya, perilakunya mencerminkan keadaan energi yang sangat tinggi yang didorong oleh gerakan cepat, bukan panas molekuler biasa. Seperti yang dijelaskan oleh fisikawan James Millen, “Ia bergerak dengan gila-gilaan.”
Meskipun suhu ekstrem ini merupakan prestasi luar biasa untuk objek sekecil itu, kecemerlangan sebenarnya terletak pada pemahaman bagaimana objek tersebut berfungsi sebagai model mesin konvensional.
Dalam termodinamika – ilmu tentang panas, kerja, dan energi – manik kaca ini bertindak sebagai miniatur mesin panas. Mesin ini beroperasi dengan menyerap panas dari sumber bersuhu tinggi dan melepaskan limbah panas ke daerah yang lebih dingin, sehingga mengubah energi panas menjadi kerja mekanis.
Aspek yang luar biasa di sini adalah bahwa mesin kecil ini menawarkan rasio luar biasa antara suhu “panas” dan “dingin” – sekitar 100. Hal ini jauh lebih kecil dibandingkan rasio efisiensi yang umumnya terlihat pada mesin komersial, yang jarang melebihi sekitar 3.
Namun keajaiban miniatur ini bukan hanya tentang suhu yang memecahkan rekor. Studi ini mengungkapkan sesuatu yang sama menariknya: perilaku mesin kecil ini sangat tidak menentu dan tidak dapat diprediksi. Efisiensi sangat berfluktuasi – terkadang mencapai angka 200 persen, namun ada kalanya anjlok hingga hanya 10 persen. Bahkan kadang-kadang berjalan terbalik, menyerap panas bukannya mengeluarkannya!
Perilaku tidak menentu ini menyoroti kebenaran penting tentang termodinamika pada skala mikro: segala sesuatunya menjadi sangat aneh. Fisikawan James Millen dengan tepat menggambarkannya sebagai “sama tidak intuitifnya dengan mekanika kuantum”. Dunia mikro ini beroperasi berdasarkan aturan yang berbeda dari pengalaman makroskopis kita.
Meskipun tidak praktis untuk aplikasi sehari-hari, mesin bola kaca kecil ini menawarkan wawasan berharga tentang cara kerja sistem biologis. Sel beroperasi pada skala yang sama, dengan struktur protein rumit yang terus-menerus terdesak oleh lingkungannya.
Memahami “mesin” mikroskopis ini, seperti kinesin – protein motorik yang bertanggung jawab untuk mengangkut muatan di dalam sel – bergantung pada cara mereka memanfaatkan energi dan fungsinya dalam lingkungan yang kacau ini. Mesin bola kaca yang aneh ini berfungsi sebagai platform ideal untuk mengungkap rahasia mesin biologis kecil ini.
Dengan memanipulasi medan listrik di sekitar manik kaca, peneliti dapat mengamati secara langsung dampak suhu yang dialami partikel tersebut. Fenomena ini, yang dikenal sebagai difusi yang bergantung pada posisi, sangat penting untuk proses seperti pelipatan protein – yang pada dasarnya adalah bagaimana protein menemukan bentuk yang benar di dalam sel.
Besarnya skala dan kompleksitas sistem miniatur tersebut menjadikannya sangat sulit untuk dipelajari. “Mesin” unik ini memungkinkan para peneliti untuk secara langsung menyelidiki pertanyaan mendasar tentang panas, kerja, dan energi pada tingkat paling mendasar, sehingga membuka jalan bagi terobosan dalam pemahaman kita tentang fisika mikroskopis dan cara kerja kehidupan itu sendiri.
