Представьте себе двигатель меньше пылинки, способный нагреваться до температуры hotter, чем ядро солнца – без того, чтобы быть фактически горячим. Это не научная фантастика; это реальность революционного нового «двигателя», созданного физиками Королевского колледжа Лондона.
Этот двигатель не похож на обычную машину внутреннего сгорания. Вместо поршней и топлива он состоит из крошечного стеклянного шара диаметром всего 5 микрометров – примерно в тысячу раз меньше ширины человеческого волоса. Этот крохотный шар подвешен в условиях почти полного вакуума с помощью электрических полей, создавая среду, где его движения становятся невероятно энергичными. Применяя к этому полю быстро меняющееся напряжение, исследователи вызывают сильное дрожание внутри шара, заставляя его вести себя так, будто он находится в немыслимом зное.
Хотя эти вибрации незаметны глазу, они переводятся в эффективную температуру 13 миллионов градусов Цельсия – почти такую же, как раскалённый сердечник нашего солнца. Для сравнения: эта стеклянная бусинка не обожжет вашу кожу; вместо этого её поведение отражает чрезвычайно высокое энергетическое состояние, вызванное быстрыми движениями, а не традиционным молекулярным нагреванием. Как объясняет физик Джеймс Миллен, «Он движется как сумасшедший.»
Хотя эта экстремальная температура является выдающимся достижением для такого крошечного объекта, подлинная гениальность заключается в понимании того, как он функционирует как модель для обычных двигателей.
В термодинамике – науке о тепле, работе и энергии – этот стеклянный шарик действует как миниатюрный тепловой двигатель. Такие двигатели работают за счет поглощения тепла из источника с высокой температурой и выделения отработанного тепла в более холодную область, тем самым превращая тепловую энергию в механическую работу.
Удивительной здесь является то, что этот крохотный двигатель обладает необычайно высоким соотношением между «горячим» и «холодным» температурами – примерно 100. Это превосходит типичные коэффициенты эффективности, наблюдаемые в коммерческих двигателях, которые редко превышают около 3.
Но это маленькое чудо не только о рекордных температурах. Исследование показывает что-то столь же захватывающее: поведение этих крошечных двигателей невероятно хаотично и предсказуемо. Эффективность колеблется в очень широком диапазоне – иногда достигая головокружительных 200%, в другие моменты падая до всего лишь 10%! Оно даже работает вспять время от времени, поглощая тепло вместо его выброса!
Это хаотичное поведение подчеркивает критически важный факт о термодинамике на микромасштабе: вещи становятся невероятно странными. Физик Джеймс Миллен метко характеризует это как «такое же неинтуитивное, как что-то вроде квантовой механики.» Этот мир микроскопических систем функционирует по другим правилам, чем наш макроскопический опыт.
Несмотря на то, что он неприменим для повседневного использования, этот крошечный стеклянный шар двигателя дает бесценные знания о внутреннем устройстве биологических систем. Клетки работают примерно в таком же масштабе, с сложными белковыми структурами, постоянно сотрясаемыми их окружением.
Понимание этих микроскопических «двигателей», таких как кинезин – моторный белок, отвечающий за транспорт грузов внутри клеток – зависит от того, чтобы расшифровать, как они добывают энергию и функционируют в этой хаотичной среде. Этот необычный стеклянный шар-двигатель служит идеальной платформой для разгадывания секретов этих крошечных биологических машин.
Manipulating the electric field around the glass bead allows researchers to directly observe the impact on temperature experienced by the particle. This phenomenon, known as position-dependent diffusion, is crucial for processes like protein folding – essentially how proteins find their correct shapes within cells.
The sheer scale and complexity of such miniature systems make them incredibly challenging to study. This unique «engine» allows researchers to directly probe fundamental questions about heat, work, and energy at the most fundamental level, paving the way for breakthroughs in our understanding of both microscopic physics and the workings of life itself.
