Tim sa King's College London, predvođen Molly Message, konstruisao je toplotni motor od jedne čestice silicijum-dioksida levitirane u Paulovoj zamci i zagrejao je do 10 miliona K. Eksperiment, opisan u Physical Review Letters, pokazuje neočekivana termodinamička ponašanja na mikroskali — uključujući trenutno hlađenje pri izloženosti višim efektivnim temperaturama. Rezultati su relevantni za dizajn mikromašina i za razumevanje bioloških procesa poput preklapanja proteina.
Jedna čestica, temperature jače od Sunca: mikro-motor koji menja pravila termodinamike
Naučnici su konstruisali toplotni motor sastavljen od jedne jedine čestice silicijum-dioksida (silika) levitirane u električnom polju i zagrejan do temperaturnih vrednosti koje premašuju temperaturu Sunčeve površine.
Kako je eksperiment izveden
Tim sa King's College London, na čelu sa doktorandkinjom Molly Message, koristio je jednu česticu prečnika 4,82 µm (oko 5% širine prosečne ljudske dlake). Čestica je levitirana pri niskom pritisku u takozvanoj Paulovoj zamci — električnom polju koje omogućava stabilno zadržavanje naelektrisanih ili polarizovanih čestica.
Zagrevajući česticu primenom napona na jednu od elektroda zamke, istraživači su mogli da kontrolišu efekte koji dovode do vrlo visokih efektivnih temperatura. U najintenzivnijim režimima meren je ekvivalent od oko 10 miliona kelvina — znatno toplije od Sunčeve površine i relativno blizu temperaturnih vrednosti unutrašnjosti zvezda.
Neočekivana termodinamika na mikroskali
Eksperiment, opisan u časopisu Physical Review Letters, otkrio je ponašanja koja odstupaju od intuitivnih očekivanja iz makroskopskog sveta. Na primer, tokom nekih ciklusa motor se privremeno hlađao umesto da se greje, uprkos izloženosti „toplijem“ režimu. Autori objašnjavaju da takve pojave potiču od nasumičnih termičkih fluktuacija i stohastičkih efekata koji na mikroskali imaju značajan uticaj.
„Motori i vrste prenosa energije unutar njih predstavljaju mikrokosmos šireg univerzuma,“ kaže Molly Message. „Dalje proučavanje motora u novim režimima može proširiti naše razumevanje univerzuma i procesa koji ga oblikuju.“
Autori takođe ističu da, na mikroskali, mogu nastati efekti poput kratkotrajnih obrtanja rada motora (motor „radi unazad"), usmerene difuzije ili efekta „pamćenja“ termalnog okruženja — sve pojave koje zahtevaju precizne modele kako bi se razumeli transportni procesi u ćelijskoj biologiji i u dizajnu mikromašina.
Zašto je to važno
Iako sam eksperiment ne predstavlja praktičnu tehnologiju za pokretanje uređaja, otkriće ima značajne implikacije: poboljšani modeli mikroskopske termodinamike mogu pomoći pri razvoju efikasnijih mikromotora, senzora i ležaja u nanotehnologiji, kao i u razumevanju bioloških procesa poput preklapanja proteina — teme naglašenih istraživanja i nagrada kao što je Nobelova nagrada za hemiju 2024. godine.
Ovaj rad pokazuje da se već na nivou pojedinačne čestice pojavljuju fenomeni koji zahtevaju preispitivanje i dopunu teorijskih okvira razvijenih za makroskopske sisteme, čime otvara nova područja istraživanja u fundamentalnoj fizici i inženjeringu.
Pomozite nam da budemo bolji.
