Fizičari su konstruisali mikroskopski Stirlingov motor koristeći levitovanu česticu silicijum-dioksida prečnika 4,82 µm i električni šum koji simulira efektivne temperature do 13 miliona K. Eksperimenti (700–1.400 ciklusa) pokazali su velike fluktuacije u razmeni toplote i privremene efikasnosti iznad 100% — posledica kratkotrajnih nasumičnih varijacija, a ne kršenja zakona termodinamike. Ključni nalaz je pozicijski zavisna difuzija, odnosno da kretanje čestice zavisi od položaja u zamci, što ima implikacije za procese poput sklapanja proteina i transporta lekova.
Mikroskopski motor „topliji od Sunca” otkriva čudne fluktuacije u termodinamici
Mikroskopski motor „topliji od Sunca” otkriva granice termodinamike
Mali motor na nivou jedne čestice, koji radi pri efektivnim temperaturama bliskim onima u unutrašnjosti Sunca, otvara novu perspektivu za proučavanje termodinamike na najsitnijim skalama.
Fizičari su levitovali pojedinačnu sfernu česticu silicijum-dioksida (SiO2) prečnika 4,82 µm u zamci stvorenoj električnim poljima i izložili je kontrolisanom električnom „šumu” koji simulira efektivne temperature do 13 miliona kelvina (K). Reč je o efektivnim, a ne stvarnim termičkim temperaturama: šum tera česticu da se pomera i vibrira kao da je izložena tim ekstremnim uslovima.
Na ovoj bazi istraživači su napravili mikroskopski Stirlingov ciklus. Proces je tekao u fazama: uključivanjem električnog šuma čestica se „zagrevala”, zatim je podešavanjem zamke povećavana amplituda pokreta (faza ekspanzije), nakon čega je šum isključivan da bi čestica „ohladila” i zamka ponovo stisnuta (faza kontrakcije). Svaki eksperiment obuhvatao je između 700 i 1.400 ciklusa.
Ispitivanja su otkrila veoma velike fluktuacije u razmeni toplote i kratkotrajne periode tokom kojih je izgledalo da je čestica proizvela više rada nego što je apsorbovala toplote — privremeni efekti sa prividnom efikasnošću većom od 100%. To ne krši Drugi zakon termodinamike jer se na mikroskopskim skalama važnu ulogu igraju slučajne fluktuacije; zakon važi za prosečne vrednosti preko dugog vremena i velikog broja realizacija.
Posebno važan nalaz tima bio je da kretanje čestice nije bilo homogeno kroz zamku: svojstva difuzije zavisila su od položaja u prostoru. Ovaj fenomen, poznat kao pozicijski zavisna difuzija, znači da promena lokalne „temperaturne” ili mehaničke sredine menja način na koji se čestice kreću.
To ima potencijalne implikacije u biološkim sistemima, gde čestice i molekuli interaguju sa membranama, viskoznim tečnostima i strukturom tkiva — primeri uključuju sklapanje proteina i transport lekova kroz organizam. Autori smatraju da njihov pristup može poslužiti kao modelni sistem za proučavanje takvih poziciono zavisnih procesa.
Tim planira da dodatno „gurne” sistem dalje od stanja ravnoteže kako bi proučavao neobične, fluktuirajuće fenomene koji upravljaju kretanjem i energijom na najfinijim skalama. Rad je objavljen u časopisu Physical Review Letters.
Napomena: Temperatura izražena kao milioni kelvina u radu predstavlja efektivnu temperaturu do koje je simulacijom šuma dovodeno kretanje čestice — ne znači da je čestica u stvarnosti zagrejana na tu temperaturu u termodinamičkom smislu.
Pomozite nam da budemo bolji.
