Уявіть собі двигун, менший за порошинку, здатний нагріватися більше, ніж ядро сонця, але насправді не нагріватися. Це не наукова фантастика; це реальність нового революційного «двигуна», створеного фізиками з Королівського коледжу Лондона.
Цей двигун не схожий на звичайний двигун внутрішнього згоряння. Замість поршнів і палива він складається з крихітної скляної кульки діаметром всього 5 мікрометрів – приблизно в тисячу разів менше за ширину людської волосини. Ця крихітна кулька підвішена у майже вакуумі електричними полями, створюючи середовище, де її рухи стають неймовірно енергійними. Застосовуючи до цього поля напругу, яка швидко змінюється, дослідники викликають інтенсивне тремтіння всередині кулі, змушуючи її поводитися так, ніби вона знаходиться в неймовірному нагріванні.
Хоча ці вібрації невидимі для ока, вони перетворюються на ефективну температуру 13 мільйонів градусів Цельсія – майже таку ж, як гаряче ядро нашого сонця. Для порівняння, ця скляна кулька не спалить вашу шкіру; натомість його поведінка відображає надзвичайно високий енергетичний стан, спричинений швидкими рухами, а не традиційним молекулярним нагріванням. Як пояснює фізик Джеймс Міллен: «Він рухається як божевільний».
Хоча ця екстремальна температура є надзвичайним досягненням для такого крихітного об’єкта, справжній геній полягає в розумінні того, як він функціонує як модель для звичайних двигунів.
У термодинаміці — науці про тепло, роботу й енергію — ця скляна кулька діє як мініатюрний тепловий двигун. Такі двигуни працюють, поглинаючи тепло від високотемпературного джерела та віддаючи відпрацьоване тепло в більш прохолодну зону, таким чином перетворюючи теплову енергію в механічну роботу.
Дивовижна річ тут полягає в тому, що цей крихітний двигун має надзвичайно високе відношення температур гарячого до холодного приблизно 100. Це перевищує типові коефіцієнти ефективності комерційних двигунів, які рідко перевищують приблизно 3.
Але це маленьке диво стосується не лише рекордних температур. Дослідження виявило щось не менш захоплююче: поведінка цих крихітних двигунів неймовірно хаотична та передбачувана. Ефективність коливається в дуже широкому діапазоні – іноді досягаючи запаморочливих 200%, в інших випадках знижуючись до 10%! Він навіть час від часу працює у зворотному напрямку, поглинаючи тепло, а не віддаючи його!
Така хаотична поведінка підкреслює важливий факт про термодинаміку на мікромасштабі: речі стають неймовірно дивними. Фізик Джеймс Міллен влучно характеризує це як «неінтуїтивне, як щось на зразок квантової механіки». Цей світ мікроскопічних систем працює за іншими правилами, ніж наш макроскопічний досвід.
Хоча ця крихітна скляна кулька з двигуном не практична для щоденного використання, вона дає безцінне розуміння внутрішньої роботи біологічних систем. Клітини працюють приблизно в тому ж масштабі, зі складними білковими структурами, які постійно струшуються в навколишньому середовищі.
Розуміння цих мікроскопічних «двигунів», таких як кінезин — руховий білок, відповідальний за транспортування вантажу в клітинах — залежить від розшифровки того, як вони виробляють енергію та функціонують у цьому хаотичному середовищі. Цей надзвичайний двигун зі скляною кулькою є ідеальною платформою для розкриття таємниць цих крихітних біологічних машин.
Керування електричним полем навколо скляної кульки дозволяє дослідникам безпосередньо спостерігати вплив частинки на температуру. Це явище, відоме як дифузія, що залежить від позиції, має вирішальне значення для таких процесів, як згортання білка – по суті, як білки знаходять свою правильну форму в клітинах.
Величезний масштаб і складність таких мініатюрних систем роблять їх неймовірно складними для вивчення. Цей унікальний «двигун» дозволяє дослідникам безпосередньо досліджувати фундаментальні питання про тепло, роботу та енергію на найфундаментальнішому рівні, прокладаючи шлях до прориву в нашому розумінні як мікроскопічної фізики, так і функціонування самого життя.
