Фізики створили нанодвигун із температурою, як у ядра Сонця (відео)

Мікроскопічний тепловий двигун, створений дослідниками з Кінгс-Коледжу в Лондоні, дозволив зазирнути у світ екстремальної термодинаміки, де звичні закони фізики працюють інакше.

Команда під керівництвом фізика Моллі Месседж побудувала двигун Стірлінга розміром з частинку пилу — сферу кремнезему діаметром лише 4,82 мікрометра. Частинку утримували у вакуумі за допомогою електричних полів, змушуючи її левітувати. Як пояснює Месседж, «ця експериментальна платформа є дуже перспективною для моделювання не лише високих температур, а й біологічно значущих процесів дифузії, що залежать від положення».

Щоб імітувати тепло, до частинки подавали електричний шум, еквівалентний температурі близько 13 мільйонів кельвінів — майже як у ядрі Сонця. Це не фізичне нагрівання, а синтетичне збудження, яке викликає коливання, подібні до тих, що відбувалися б у реальних умовах. Так вдалося створити температурний контраст у сотні разів більший, ніж можливий у природних системах, відкриваючи шлях до вивчення меж другого закону термодинаміки.

Команда проводила серії експериментів із сотнями циклів нагрівання та охолодження частинки, спостерігаючи за коливаннями енергії. Вони зафіксували моменти, коли ефективність двигуна перевищувала 100 відсотків, що, однак, було наслідком статистичних флуктуацій. Ці короткочасні «аномалії» підтвердили, що в мікросвіті закони термодинаміки проявляються лише після усереднення великої кількості процесів.

Найцікавішим результатом стала спостережена дифузія, що залежить від положення: рух частинки змінювався залежно від її місця в пастці. Цей ефект, за словами дослідників, є аналогом процесів, які відбуваються в біологічних системах — наприклад, під час транспортування молекул або згортання білків. «Дифузія, що залежить від положення, є ключовою для розуміння масового транспорту в біологічних умовах», — підкреслює Месседж.

Вчені планують ще глибше дослідити нерівноважну термодинаміку, використовуючи цей мікродвигун як модель для пояснення того, як енергія передається в складних мікроскопічних системах — від клітинного рівня до космічних масштабів. Дослідження, опубліковане в Physical Review Letters, відкриває нові перспективи у вивченні природи тепла, руху та енергії в самих основах матерії.