Микроскопический двигатель, более горячий, чем Солнце, исследует пределы физики
Крошечный двигатель размером с частицу, работающий при температурах, приближающихся к самому внутреннему ядру Солнца, может открыть окно в мельчайшие крайности термодинамики.
Подняв в воздух одну частицу кремнезема в вакууме и нагрев ее синтетическими температурами выше 10 миллионов кельвинов (10 миллионов °C или 18 миллионов °F), физики создали микроскопическую тепловую машину Стирлинга – не для того, чтобы приводить в движение крошечную машину, а для того, чтобы лучше понять физику тепла. и энергии.
Примечательно, что это также дает представление о сложных микроскопических процессах, которые происходят внутри наших тел.
Связано: В лаборатории на Земле ученые только что воспроизвели давление, обнаруженное на звездах-белых карликах
«Эта экспериментальная платформа демонстрирует большие перспективы в своей способности моделировать и исследовать не только высокие температуры, но и биологически значимый термодинамический сценарий позиционно-зависимой диффузии», — пишет команда под руководством физика Молли. Сообщение Королевского колледжа Лондона.
«Позиционно-зависимая диффузия является ключом к пониманию, например, сворачивания белка и массового транспорта в биологических условиях».
Двигатель Стирлинга работает путем нагревания и охлаждения герметичного газа или жидкости так, что он расширяется и сжимается в повторяющемся цикле, преобразуя тепло в механическую энергию. Микроскопический двигатель Стирлинга — это миниатюрный аналог, основанный на тех же принципах, но работающий в масштабе микрометра.
Месседж и ее коллеги построили свой двигатель на основе сферической частицы кремнезема диаметром всего 4,82 микрометра — доля ширины человеческого волоса. Эта частица левитировала в ловушке из электрических полей, где она может немного покачиваться, но не ускользнуть.
Затем они применили к частице электрический шум, чтобы имитировать температуру до 13 миллионов Кельвинов – намного выше, чем температура 5800 К на поверхности Солнца, и приближается к температуре 15 миллионов К в его ядре.
Это эффективные (не физические) температуры: Электрический шум, приложенный к системе, заставляет частицу кремнезема покачиваться точно так же, как это было бы при температуре до 13 миллионов К.
В то же время «прохладная» среда вокруг частицы оставалась примерно в 100 раз ниже – температурный контраст, который был бы недостижим в реальном двигателе Стирлинга – что позволило исследовать термодинамику далеко за пределами того, что возможно в полном масштабе.
Это потому, что второй закон термодинамики может быть применен только к средним значениям на микроскопе. масштаб. Таким образом, хотя есть моменты, которые кажутся нарушающими закон, например, большие колебания или эффективность, превышающая 100 процентов, как только все усредняется, система ведет себя так, как должна.
Команда сначала запустила свою систему, применив шум для «нагревания» частицы. Затем они настроили электрическую ловушку так, чтобы частица могла еще больше покачиваться – на этапе расширения цикла Стирлинга. Затем, на этапе сжатия, шум отключали, позволяя частице «остыть», прежде чем ловушку снова настраивать, чтобы уменьшить покачивание.
Исследователи проводили каждый эксперимент в течение от 700 до 1400 циклов, чтобы детально изучить поведение системы. Они обнаружили огромные колебания теплообмена, а также короткие периоды, когда частица, казалось, производила больше работы, чем потребляла тепла, временно демонстрируя уровень эффективности более 100 процентов.
Это всего лишь результат краткосрочной случайности и гигантских колебаний тепла и энергии в малых масштабах, и это не является неожиданным.
Действительно интересно то, что частица не хаотично покачивалась в ловушке, как мы могли бы видеть при нормальной диффузии в однородной среде; его движение зависело от того, в каком месте ловушки он находился.
Когда температура и консистенция среды меняются, это меняет способ движения частиц через нее. Это явление известно как позиционно-зависимая диффузия.
Это важно в биологических системах, где частицы взаимодействуют с мембранами, жидкостями и тканями. Таким образом, установка команды может стать способом исследования таких проблем, как транспорт лекарств через организм.
Теперь команда надеется вывести свой микроскопический двигатель Стирлинга еще дальше от равновесия, исследуя странную, колебательную физику, которая управляет движением и энергией в мельчайших масштабах.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
