Ученые из Королевского колледжа Лондона, создали микроскопический двигатель, помещённый внутрь крошечной частицы, которая подвешена в электрическом поле. Эта система достигла температуры 10 миллионов кельвинов — около 110 миллионов ℃. Для сравнения, ядро Солнца «горит» при 15 миллионах градусов, а его корона — до 1,9 миллионов. По словам исследователей, это не только самый горячий, но и самый маленький двигатель, когда-либо созданный человеком.
«Постигнув термодинамику на этом неинтуитивном уровне, мы сможем в будущем разрабатывать более совершенные двигатели и проводить эксперименты, которые ставят под сомнение наше понимание природы», — заявила Молли Мессадж, ведущий автор исследования и аспирант Королевского колледжа Лондона (KCL).
Когда законы физики кажутся странными
Двигатель работает в почти вакуумной установке, называемой ловушкой Пауля. Электроды удерживают микрочастицу на месте. Когда на них подается шумовое напряжение, частица начинает колебаться, и ее температура растет экспоненциально.
По словам команды, двигатель иногда производит больше энергии, чем получает. В других случаях он самопроизвольно охлаждается, хотя условия должны были бы его нагреть. «Мы наблюдаем странные термодинамические явления, которые кажутся естественными для бактерий или белков, но совершенно неинтуитивны для нас, больших кусочков мяса», — пояснил Джеймс Миллен, старший автор исследования из KCL.
Эти эффекты обусловлены крошечными размерами системы, где действуют законы физики, отличные от привычного макромира.
Загадочные колебания и микромир
Малый размер двигателя делает его непрактичным для автомобилей или бытовой техники. Зато он идеально подходит для моделирования процессов на микроскопическом уровне, например, сворачивания белков в организме, которое управляет метаболизмом.
«Белки сворачиваются за миллисекунды, но атомы, которые заставляют их двигаться, — за наносекунды. Компьютеру сложно смоделировать эти процессы. Наблюдая за движением микрочастицы и выстраивая на основе этого уравнения, мы обходим эти трудности», — пояснил Джонатан Притчетт, соавтор исследования.
Результаты экспериментов показывают, как можно напрямую изучать поведение частиц на микроуровне, где классические законы термодинамики ведут себя иначе. Устройство позволяет моделировать эффекты, которые в макромире остаются теорией, включая обмен энергии и теплоотдачу.
Будущие возможности
Команда видит потенциал этого миниатюрного двигателя для фундаментальных исследований микромира. Он может стать инструментом для изучения микроскопических машин, новых материалов и сложных процессов, которые трудно воспроизвести в лаборатории на обычных масштабах.
«Этот двигатель — лишь один пример того, как микроскопическая физика может удивлять. Для ее понимания нужны новые инструменты и свежий взгляд на то, как частицы движутся и взаимодействуют на самом малом масштабе», — отметили исследователи.
Миниатюрная система демонстрирует, что микромир подчиняется своим собственным законам. Энергия и температура ведут себя иначе, а привычные для нас правила термодинамики становятся относительными.
Физики научились вращать микроскопические шестеренки с помощью света прямо на чипе
Инженеры создали гибридный двигатель для безопасной посадки на Луну: видео
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram