Stel je een motor voor die kleiner is dan een stofje en in staat is temperaturen te bereiken die hoger zijn dan de kern van de zon – zonder daadwerkelijk heet te zijn. Dit is geen sciencefiction; het is de realiteit van een revolutionaire nieuwe ‘motor’ gecreëerd door natuurkundigen van King’s College London.
De motor is niet uw typische verbrandingsmachine. In plaats van zuigers en brandstof bestaat het uit een minuscule glazen bol van slechts 5 micrometer breed – ongeveer een duizendste van de breedte van een mensenhaar. Deze kleine bol wordt in een vrijwel vacuüm in beweging gebracht met behulp van elektrische velden, waardoor een omgeving ontstaat waarin de bewegingen ervan ongelooflijk energiek worden. Door een snel fluctuerende spanning op dit veld aan te leggen, veroorzaken onderzoekers intense trillingen in de bol, waardoor deze zich gedraagt alsof deze baadt in onvoorstelbare hitte.
Hoewel onzichtbaar voor het blote oog, vertalen deze trillingen zich in een effectieve temperatuur van 13 miljoen graden Celsius – bijna gelijk aan de verschroeiende kern van onze zon. Om het in perspectief te plaatsen: deze glazen kraal zou je huid niet verbranden; in plaats daarvan weerspiegelt zijn gedrag een ongelooflijk hoge energietoestand, aangedreven door snelle bewegingen in plaats van traditionele moleculaire hitte. Zoals natuurkundige James Millen uitlegt: “Het beweegt als een gek.”
Hoewel deze extreme temperatuur een opmerkelijke prestatie is voor zo’n minuscuul object, ligt de echte briljantheid in het begrijpen hoe het functioneert als model voor conventionele motoren.
In de thermodynamica – de wetenschap van warmte, arbeid en energie – fungeert deze glazen kraal als een miniatuurwarmtemotor. Deze motoren werken door warmte te absorberen van een bron met hoge temperatuur en afvalwarmte af te geven aan een koeler gebied, waardoor thermische energie wordt omgezet in mechanisch werk.
Het opmerkelijke aspect hier is dat deze kleine motor beschikt over een buitengewone verhouding tussen de ‘warme’ en ‘koude’ temperaturen – ongeveer 100. Dit doet de typische efficiëntieverhoudingen in commerciële motoren, die zelden boven de 3 uitkomen, in het niet vallen.
Maar dit miniatuurwonder gaat niet alleen over recordbrekende temperaturen. Het onderzoek onthult iets dat net zo fascinerend is: het gedrag van deze kleine motoren is ongelooflijk grillig en onvoorspelbaar. De efficiëntie fluctueert enorm en bereikt soms een duizelingwekkende 200 procent, andere keren keldert het tot slechts 10 procent. Soms loopt hij zelfs achteruit, waarbij hij warmte absorbeert in plaats van afgeeft!
Dit grillige gedrag benadrukt een cruciale waarheid over de thermodynamica op microschaal: dingen worden extreem raar. Natuurkundige James Millen beschrijft het treffend als ‘zo onintuïtief als zoiets als de kwantummechanica’. Deze microwereld werkt volgens andere regels dan onze macroscopische ervaring.
Ondanks dat het onpraktisch is voor alledaagse toepassingen, biedt deze kleine glazen bolmotor waardevolle inzichten in de interne werking van biologische systemen. Cellen werken op een vergelijkbare schaal, waarbij ingewikkelde eiwitstructuren voortdurend door hun omgeving worden verdrongen.
Het begrijpen van deze microscopische ‘motoren’, zoals kinesine – een motoreiwit dat verantwoordelijk is voor het transport van vracht in cellen – hangt af van het ontcijferen van hoe ze energie benutten en functioneren in deze chaotische omgeving. Deze eigenaardige glazen bolmotor dient als een ideaal platform om de geheimen van deze kleine biologische machines te ontsluieren.
Door het elektrische veld rond de glaskraal te manipuleren, kunnen onderzoekers direct de impact op de temperatuur waarnemen die het deeltje ervaart. Dit fenomeen, bekend als positie-afhankelijke diffusie, is cruciaal voor processen zoals het vouwen van eiwitten – in essentie hoe eiwitten hun juiste vorm in cellen vinden.
De enorme schaal en complexiteit van dergelijke miniatuursystemen maken ze ongelooflijk uitdagend om te bestuderen. Deze unieke ‘motor’ stelt onderzoekers in staat fundamentele vragen over hitte, arbeid en energie rechtstreeks op het meest fundamentele niveau te onderzoeken, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor doorbraken in ons begrip van zowel de microscopische fysica als de werking van het leven zelf.
