Науковці з Королівського коледжу Лондона розробили унікальний тепловий двигун, що складається всього з однієї частинки. Під час експериментів пристрій нагрівся до температур, які перевищують показники на поверхні Сонця, що відкриває нові перспективи у вивченні термодинаміки.
Протягом 4,6 мільярда років жодне місце в Сонячній системі не було гарячішим за наше світило. Однак людство навчилося створювати температури, що значно перевершують сонячні, хоча зазвичай для цього потрібні гігантські установки.
Наприклад, Міжнародний експериментальний термоядерний реактор (ITER), який важить як три Ейфелеві вежі, утримуватиме плазму при температурі 150 мільйонів градусів Цельсія. Великий адронний коллайдер, що розтягнувся на 27 кілометрів, може створювати ще гарячіші "вогняні кулі", але лише на мить. Нове дослідження, опубліковане в журналі Physical Review Letters, доводить: подібні екстремальні умови можна відтворити на мікроскопічному рівні.
Експеримент з однією частинкою
Команда фізиків під керівництвом аспірантки Моллі Месседж створила тепловий двигун, використовуючи лише одну частинку кремнезему (силіки). Її розмір становить 4,82 мікрометра, що дорівнює приблизно 5% товщини людської волосини.
Щоб досягти результату, вчені помістили частинку у вакуум та змусили її левітувати за допомогою системи електричних полів, відомої як пастка Пауля. Підвищуючи напругу на одному з електродів, дослідники змогли "розігнати" температуру частинки до 10 мільйонів кельвінів. Це значно гарячіше за поверхню Сонця і наближається до температури його ядра.
«Двигуни та ті типи передачі енергії, що відбуваються в них, є мікрокосмосом ширшого Всесвіту, – зазначила Моллі Месседж, провідна авторка дослідження. Вивчення парового двигуна породило термодинаміку, яка, своєю чергою, відкрила фундаментальні закони фізики. Продовження вивчення двигунів у нових режимах дає потенціал для розширення нашого розуміння Всесвіту».
Парадокси мікросвіту
Цей експеримент став першим випадком досягнення таких температур у настільки малому масштабі. Отримані дані виявили несподівані термодинамічні ефекти. Наприклад, під час роботи система іноді охолоджувалася замість того, щоб нагріватися, потрапляючи під вплив вищих температур. Це пов’язано з "випадковим впливом теплових флуктуацій", які домінують на мікрорівні.
Автори роботи наголошують, що термодинамічна поведінка мікроскопічних систем сповнена сюрпризів: двигуни можуть короткочасно працювати у зворотному напрямку, а теплове середовище нібито "пам'ятає" стан системи.
Такі відкриття мають не лише теоретичне значення. Розуміння цих процесів допоможе інженерам створювати ефективніші наномашини, а біологам – краще досліджувати такі явища, як згортання білків, що стало темою Нобелівської премії з хімії у 2024 році.
Також рекомендуємо прочитати:
У Польщі знайшли унікальний інструмент кельтів для операцій на мозку
