موتور میکروسکوپی با دمایی گرم‌تر از خورشید، مرزهای فیزیک را کاوش می‌کند
یک موتور ریز به اندازهٔ یک ذره که در دماهایی نزدیک به هستهٔ مرکزی خورشید کار می‌کند می‌تواند دریچه‌ای به سوی شدیدترین مقادیر ترمودینامیک باز کند.
فیزیک‌دانان با معلق‌سازی یک ذرهٔ سیلیکونی در خلاء و شلیک دماهای مصنوعی بالاتر از ۱۰ میلیون کلوین (۱۰ میلیون درجه سلسیوس یا ۱۸ میلیون درجه فارنهایت)، یک موتور حرارتی میکروسکوپی استرلینگ به وجود آوردند؛ نه برای تأمین انرژی یک دستگاه ریز، بلکه برای درک بهتر فیزیک حرارت و انرژی.
به طرز شگفت‌انگیزی، این کار همچنین بینشی به فرآیندهای میکروسکوپی پیچیده‌ای که در درون بدن ما رخ می‌دهند، فراهم می‌کند.
“این بستر آزمایشی نشانگر وعدهٔ بزرگی است؛ با توانایی شبیه‌سازی و بررسی نه تنها دماهای بالا، بلکه سناریوی ترمودینامیکی زیستی مرتبط با انتشار وابسته به موقعیت،” می‌نویسند تیمی به رهبری فیزیک‌دانی ملی مسیج از کالج کینگ لندن.
“پراکندگی وابسته به موقعیت کلید درک، برای مثال، تا شدن پروتئین و انتقال جرم در محیط‌های زیستی است.”
یک موتور استرلینگ با گرم‌کردن و سردکردن یک گاز یا مایع محصور کار می‌کند تا در یک چرخهٔ مکرر منبسط و منقبض شود و حرارت را به انرژی مکانیکی تبدیل کند. موتور استرلینگ میکروسکوپی نسخه‌ای مینیاتوری از این اصل است که در مقیاس میکرومتری عمل می‌کند.
ملی مسیج و همکارانش موتور خود را بر پایهٔ یک ذرهٔ کروی سیلیکونی به قطر ۴٫۸۲ میکرومتر ساخته‌اند – بخشی از عرض یک موی انسان. این ذره در دام الکتریکی معلق شد؛ می‌توانست کمی لرزش داشته باشد، اما نتوانست فرار کند.
سپس، آن‌ها نویز الکتریکی را بر روی ذره اعمال کردند تا دماهای تا ۱۳ میلیون کلوین شبیه‌سازی شود – بسیار گرم‌تر از ۵۸۰۰ K دمای سطح خورشید و نزدیک به ۱۵ میلیون K در هستهٔ آن.
این‌ها دماهای مؤثر (نه فیزیکی) هستند؛ نویز الکتریکی اعمال‌شده به سیستم باعث می‌شود ذرهٔ سیلیکونی دقیقاً همان‌طور که تحت شرایط دمایی تا ۱۳ میلیون K می‌لرزد، تکان بخورد.
در همان زمان، محیط «سرد» اطراف ذره تقریباً صد برابر سردتر ماند – تضاد دمایی که در یک موتور استرلینگ واقعی قابل دستیابی نیست – و امکان بررسی ترمودینامیک را بسیار فراتر از آنچه در مقیاس کامل ممکن است، فراهم می‌کند.
دلیل این است که قانون دوم ترمودینامیک تنها می‌تواند بر میانگین‌ها در مقیاس میکروسکوپی اعمال شود. بنابراین اگرچه لحظاتی وجود دارد که به‌نظر می‌رسد قانون را می‌شکنند، مانند نوسان بزرگ یا بازدهی ظاهراً بیش از صد درصد، اما پس از میانگین‌گیری کلی، سیستم همان‌گونه که باید رفتار می‌کند.
تیم ابتدا سیستم خود را با اعمال نویز برای «گرم» کردن ذره راه‌اندازی کرد. سپس دام الکتریکی را طوری تنظیم کردند که ذره بیشتر لرزش داشته باشد – فاز انبساط چرخه استرلینگ. برای فاز انقباض، نویز قطع شد تا ذره «سرد» شود و سپس دام دوباره تنظیم شد تا لرزش کاهش یابد.
پژوهشگران هر آزمایش را بین ۷۰۰ تا ۱٬۴۰۰ چرخه اجرا کردند تا جزئیات رفتار سیستم را بررسی کنند. آن‌ها نوسانات عظیم در تبادل حرارت را کشف کردند و همچنین دوره‌های کوتاهی که در آن ذره به‌نظر می‌رسید کار بیشتری نسبت به حرارتی که مصرف می‌کند انجام می‌دهد؛ به‌طور موقت بازدهی بیش از صد درصد را نشان می‌داد.
این صرفاً نتیجهٔ تصادفی بودن کوتاه‌مدت و نوسانات بزرگ حرارت و انرژی در مقیاس‌های کوچک است و غافلگیرکننده نیست.
بخش جالب این است که ذره به‌صورت تصادفی در دام جنب‌وجوش نداشت، همان‌طور که در انتشار عادی در یک محیط یکنواخت می‌بینیم؛ حرکت آن به محل دقیق آن در داخل دام وابسته بود.
هنگامی که دما و چگالی یک محیط تغییر می‌کند، نحوهٔ حرکت ذرات در آن نیز تغییر می‌یابد؛ پدیده‌ای که به‌نام انتشار وابسته به موقعیت شناخته می‌شود.
این موضوع در سامانه‌های بیولوژیکی مهم است، جایی که ذرات با غشاها، مایعات و بافت‌ها تعامل دارند. بنابراین، تنظیمات تیم می‌تواند راهی برای بررسی مسائلی همچون انتقال داروها در بدن باشد.
تیم اکنون امید دارد موتور میکروسکوپی استرلینگ خود را حتی فراتر از تعادل پیش ببرد و به بررسی فیزیک‌های عجیب و نوسانی که حرکت و انرژی را در مقیاس‌های ریزترین کنترل می‌کنند، بپردازد.
این پژوهش در Physical Review Letters منتشر شده است.