Immagina un motore più piccolo di un granello di polvere, in grado di raggiungere temperature più calde del nucleo del sole, senza essere effettivamente caldo. Questa non è fantascienza; è la realtà di un nuovo “motore” rivoluzionario creato dai fisici del King’s College di Londra.
Il motore non è la tipica macchina a combustione. Invece di pistoni e carburante, è costituito da una minuscola sfera di vetro larga appena 5 micrometri, circa un millesimo della larghezza di un capello umano. Questa minuscola sfera viene fatta levitare nel quasi vuoto utilizzando campi elettrici, creando un ambiente in cui i suoi movimenti diventano incredibilmente energetici. Applicando una tensione che fluttua rapidamente a questo campo, i ricercatori inducono un intenso tremolio all’interno della sfera, facendola comportare come se fosse immersa in un calore inimmaginabile.
Sebbene invisibili a occhio nudo, queste vibrazioni si traducono in una temperatura effettiva di 13 milioni di gradi Celsius, quasi corrispondente al nucleo rovente del nostro sole. Per metterlo in prospettiva, questa perla di vetro non brucerebbe la pelle; invece, il suo comportamento riflette uno stato energetico incredibilmente elevato guidato dal movimento rapido piuttosto che dal tradizionale calore molecolare. Come spiega il fisico James Millen, “Si muove come un matto”.
Sebbene questa temperatura estrema sia un’impresa notevole per un oggetto così minuscolo, la vera genialità sta nel capire come funziona come modello per i motori convenzionali.
In termodinamica – la scienza del calore, del lavoro e dell’energia – questa perla di vetro agisce come un motore termico in miniatura. Questi motori funzionano assorbendo calore da una fonte ad alta temperatura e rilasciando il calore di scarto in una regione più fredda, convertendo così l’energia termica in lavoro meccanico.
L’aspetto notevole qui è che questo minuscolo motore vanta uno straordinario rapporto tra le temperature “calda” e “fredda” – circa 100. Ciò sminuisce i tipici rapporti di efficienza riscontrati nei motori commerciali, che raramente superano i 3 circa.
Ma questa meraviglia in miniatura non riguarda solo le temperature da record. Lo studio rivela qualcosa di altrettanto affascinante: il comportamento di questi minuscoli motori è incredibilmente irregolare e imprevedibile. L’efficienza oscilla selvaggiamente, a volte raggiungendo un vertiginoso 200%, altre volte crollando solo al 10%. A volte funziona anche al contrario, assorbendo il calore invece di espellerlo!
Questo comportamento irregolare evidenzia una verità fondamentale sulla termodinamica su scala microscopica: le cose diventano estremamente strane. Il fisico James Millen lo descrive appropriatamente come “non intuitivo quanto qualcosa di simile alla meccanica quantistica”. Questo micromondo opera secondo regole diverse rispetto alla nostra esperienza macroscopica.
Nonostante la sua impraticabilità per le applicazioni quotidiane, questo minuscolo motore a sfera di vetro offre preziose informazioni sul funzionamento interno dei sistemi biologici. Le cellule operano su una scala simile, con intricate strutture proteiche costantemente spinte dall’ambiente circostante.
La comprensione di questi “motori” microscopici, come la chinesina – una proteina motrice responsabile del trasporto del carico all’interno delle cellule – dipende dalla decifrazione del modo in cui sfruttano l’energia e funzionano in questo ambiente caotico. Questo particolare motore a sfera di vetro funge da piattaforma ideale per svelare i segreti di queste minuscole macchine biologiche.
Manipolando il campo elettrico attorno alla perla di vetro, i ricercatori possono osservare direttamente l’impatto sulla temperatura sperimentata dalla particella. Questo fenomeno, noto come diffusione dipendente dalla posizione, è cruciale per processi come il ripiegamento delle proteine, ovvero il modo in cui le proteine trovano la loro forma corretta all’interno delle cellule.
La vastità e la complessità di tali sistemi in miniatura li rendono incredibilmente difficili da studiare. Questo “motore” unico consente ai ricercatori di sondare direttamente questioni fondamentali su calore, lavoro ed energia al livello più fondamentale, aprendo la strada a scoperte rivoluzionarie nella nostra comprensione sia della fisica microscopica che del funzionamento della vita stessa.
