Самый горячий двигатель в мире невероятно мал, достигает, казалось бы, невозможной эффективности и может служить аналогом мельчайших машин природы.
Термодинамический двигатель — это простейшая машина, которая может показать, как законы физики определяют преобразование тепла в полезную работу. У него есть горячая часть и холодная часть, соединенные рабочим телом, которое циклически сжимается и расширяется.
Молли Мессадж и Джеймс Миллен из Королевского колледжа в Лондоне и их коллеги создали один из самых необычных двигателей, в котором роль рабочего тела играет микроскопическая стеклянная бусинка. Результаты захватывающих экспериментов приняты к публикации в Physical Review Letters.
Опыты проводились в небольшой камере из металла и стекла, почти полностью лишенной воздуха. Бусинка левитировала в ней, подвешенная в электрическом поле. Для запуска двигателя экспериментаторы регулировали свойства поля, чтобы усиливать или ослаблять его «хватку» на крупинке.
Очень немногочисленные оставшиеся частицы воздуха в камере выступали в роли холодной части двигателя, а контролируемые всплески электрического поля играли роль горячей части. Эти всплески заставляли частицу кратковременно двигаться гораздо быстрее, чем очень немногочисленные окружающие ее частицы воздуха. Поскольку более горячие частицы движутся быстрее (например, в газе), стеклянная частица здесь вела себя так, как будто ее температура мгновенно поднялась до 10 миллионов Кельвинов, что примерно в 2000 раз превышает температуру поверхности Солнца, хотя на ощупь она была бы холодной.
Двигатель со стеклянной микробусинкой работал крайне необычным образом. В течение некоторых циклов он казался невозможным с точки зрения КПД: стеклянная бусина двигалась быстрее, чем ожидалось, учитывая силу электрического поля. Это означало, что двигатель фактически выдавал больше энергии, чем получал. В других циклах эффективность становилась отрицательной, как если бы бусинка охлаждалась в условиях, которые должны были сделать ее очень горячей.
«Иногда ты думаешь, что вкладываешь правильную энергию, используешь правильные механизмы для работы теплового двигателя, а в итоге получаешь холодильник», — говорит Мессадж.
Температура бусины также менялась в зависимости от ее положения в камере, что было неожиданно, поскольку двигатель построен так, что она должна была иметь температуру либо горячей, либо холодной части двигателя.
Эти странности можно объяснить размером двигателя: он настолько мал, что даже единичное случайное столкновение частицы воздуха с бусиной способно радикально изменить работу двигателя — включая его временное превращение в холодильник, объясняет Миллен. Традиционные законы физики, которые запрещают такое поведение, в среднем действуют, но экстремальные события все же случаются.
По словам Миллена, то же самое справедливо и для микроскопических компонентов клеток: «Мы можем наблюдать все эти странные термодинамические поведения, которые совершенно интуитивны, если это бактерия или белок, но просто неинтуитивны, если это большой кусок мяса, как мы».
У нового двигателя нет никакого практического применения, но он поможет глубже понять природные биологические механизмы, заметил профессор Рауль Рика из Гранадского университета в Испании.
Это несомненное техническое достижение, оценил физик Лоик Рондэн из Университета Париж-Сакле: ученые смогли исследовать множество необычных свойств микроскопического мира с помощью сравнительно простой конструкции.
«Мы получили огромное упрощение биологических систем, с помощью которого можно проводить опыты для проверки некоторых теорий», — сказал он.
В будущем команда намерена использовать двигатель именно таким образом — например, для моделирования изменения энергии белка при его сворачивании.
Создан первый электрический наномотор из материала ДНК
Биофизики превратили живой белок в работающий квантовый бит
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram