Wyobraź sobie silnik mniejszy niż pyłek kurzu, który może nagrzać się bardziej niż jądro słońca, choć w rzeczywistości nie jest gorący. To nie jest science fiction; taka jest rzeczywistość nowego, rewolucyjnego „silnika” stworzonego przez fizyków z King’s College London.
Silnik ten nie przypomina konwencjonalnego silnika spalinowego. Zamiast tłoków i paliwa składa się z maleńkiej szklanej kulki o średnicy zaledwie 5 mikrometrów – około tysiąc razy mniejszej niż szerokość ludzkiego włosa. Ta maleńka kulka jest zawieszona w niemal próżni za pomocą pól elektrycznych, tworząc środowisko, w którym jej ruchy stają się niezwykle energiczne. Przykładając do tego pola szybko zmieniające się napięcie, badacze powodują intensywne wstrząsy wewnątrz kuli, powodując, że zachowuje się ona tak, jakby była w niewyobrażalnym cieple.
Chociaż wibracje te są niewidoczne dla oka, przekładają się na efektywną temperaturę 13 milionów stopni Celsjusza – prawie taką samą, jak gorące jądro naszego słońca. Dla porównania, ten szklany koralik nie spali Twojej skóry; zamiast tego jego zachowanie odzwierciedla niezwykle wysoki stan energii spowodowany szybkimi ruchami, a nie tradycyjnym ogrzewaniem molekularnym. Jak wyjaśnia fizyk James Millen: „To porusza się jak szalone”.
Choć tak ekstremalna temperatura jest niezwykłym osiągnięciem jak na tak mały obiekt, prawdziwy geniusz polega na zrozumieniu, jak funkcjonuje on jako model dla konwencjonalnych silników.
W termodynamice – nauce o cieple, pracy i energii – ta szklana kulka działa jak miniaturowy silnik cieplny. Silniki takie działają na zasadzie pochłaniania ciepła ze źródła o wysokiej temperaturze i uwalniania ciepła odpadowego do chłodniejszego obszaru, przekształcając w ten sposób energię cieplną w pracę mechaniczną.
Zadziwiające jest to, że ten mały silnik ma niezwykle wysoki stosunek temperatur gorących do zimnych, wynoszący około 100. To przekracza typowe współczynniki wydajności spotykane w silnikach komercyjnych, które rzadko przekraczają około 3.
Ale ten mały cud to nie tylko rekordowe temperatury. Badanie ujawnia coś równie fascynującego: zachowanie tych maleńkich silników jest niezwykle chaotyczne i przewidywalne. Sprawność oscyluje w bardzo szerokim zakresie – czasem osiągając zawrotne 200%, innym razem spadając nawet do 10%! Od czasu do czasu działa nawet odwrotnie, pochłaniając ciepło, zamiast je oddawać!
To chaotyczne zachowanie uwydatnia kluczowy fakt dotyczący termodynamiki w mikroskali: sprawy stają się niesamowicie dziwne. Fizyk James Millen trafnie charakteryzuje ją jako „równie nieintuicyjną jak coś na kształt mechaniki kwantowej”. Ten świat mikroskopijnych układów funkcjonuje według innych zasad niż nasze makroskopowe doświadczenie.
Choć niepraktyczna w codziennym użyciu, ta maleńka szklana kulka z silnikiem zapewnia bezcenny wgląd w wewnętrzne działanie układów biologicznych. Komórki działają na mniej więcej tę samą skalę, a ich złożone struktury białkowe nieustannie podlegają wstrząsom.
Zrozumienie tych mikroskopijnych „silników”, takich jak kinezyna – białko motoryczne odpowiedzialne za transport ładunku w komórkach – zależy od rozszyfrowania, w jaki sposób wytwarzają one energię i funkcjonują w tym chaotycznym środowisku. Ten niezwykły silnik ze szklanymi kulami stanowi idealną platformę do odkrywania sekretów tych maleńkich maszyn biologicznych.
Manipulowanie polem elektrycznym wokół szklanej kulki pozwala naukowcom bezpośrednio obserwować wpływ na temperaturę odczuwaną przez cząstkę. Zjawisko to, znane jako dyfuzja zależna od położenia, ma kluczowe znaczenie dla procesów takich jak zwijanie białek – czyli w zasadzie tego, jak białka odnajdują swój prawidłowy kształt w komórkach.
Sama skala i złożoność takich miniaturowych systemów sprawia, że ich badanie jest niezwykle trudne. Ten wyjątkowy „silnik” pozwala badaczom bezpośrednio badać podstawowe pytania dotyczące ciepła, pracy i energii na najbardziej podstawowym poziomie, torując drogę do przełomów w naszym rozumieniu zarówno fizyki mikroskopowej, jak i funkcjonowania samego życia.
