Mikrodalelė, kuri paneigia termodinamiką? Šis eksperimentas glumina net patyrusius ekspertus

Šis įrenginys skirtas ne mechaninei jėgai gaminti, o giliau pažinti, kaip mikropasaulyje veikia šiluma ir energija. Įdomu tai, kad šis eksperimentas taip pat gali padėti suprasti sudėtingus procesus, vykstančius žmogaus organizme.

„Ši eksperimentinė platforma atveria galimybes ne tik modeliuoti ekstremalias temperatūras, bet ir nagrinėti biologijai svarbią padėties priklausomą difuziją,“ – rašo tyrimo vadovė fizikos mokslų daktarė Molly Message iš Londono King‘s koledžo.

Tokio tipo difuzija yra itin svarbi norint suprasti, pavyzdžiui, kaip baltymai lankstosi ar kaip organizme vyksta medžiagų pernaša.

Maža dalelė – didelė šiluminė jėgainė

Stirlingo variklis veikia šildydamas ir aušindamas uždarą dujų ar skysčio kiekį, kuris plėsdamasis ir traukdamasis sukuria mechaninę energiją. Mikroskopinis Stirlingo variklis remiasi tuo pačiu principu, bet veikia mikrometrų masteliu.

Message komanda naudojo vos 4,82 mikrometrų skersmens sferinę silicio dioksido dalelę – tai vos dalis žmogaus plauko storio. Ši dalelė buvo pakelta elektriniuose laukuose, leidžiant jai judėti, bet ne ištrūkti.

Tada į sistemą buvo paleistas elektros triukšmas, kuris imituoja iki 13 milijonų kelvinų temperatūrą, gerokai daugiau nei Saulės paviršiaus (5 800 K) ir beveik tiek pat, kiek jos branduolyje (apie 15 mln. K).

Svarbu pažymėti, kad šios temperatūros nebuvo fizinės. Elektros triukšmas priverčia dalelę virpėti taip, lyg ji būtų tokioje aukštoje temperatūroje.

Tuo pat metu aplinkos temperatūra liko šimtus kartų žemesnė – kontrastas, kurio neįmanoma pasiekti realiuose Stirlingo varikliuose. Tai leido tyrinėti šiluminę fiziką tokiose sąlygose, kurios anksčiau buvo neįmanomos.

Kai termodinamikos dėsniai susvyruoja

Mažose sistemose antrasis termodinamikos dėsnis taikomas tik vidurkiams. Todėl eksperimentuodami mokslininkai matė momentų, kurie atrodė tarsi prieštarautų fizikinei logikai, pavyzdžiui, trumpus laikotarpius, kai dalelė sukūrė daugiau darbo, nei sunaudojo šilumos. 

Vis dėlto ilguoju laikotarpiu, kai rezultatai vidurkinami, sistema elgiasi taip, kaip numato fizikos dėsniai. Eksperimento ciklai, nuo 700 iki 1 400, leido smulkiai stebėti šilumos mainų svyravimus, ypač mikroskopiniu masteliu.

Neatsitiktinis judėjimas atskleidė svarbų biologinį principą

Įdomiausia tyrimo dalis – dalelės judėjimas nebuvo atsitiktinis. Ji judėjo kitaip priklausomai nuo savo padėties elektriniame lauke. 

Tokia elgsena vadinama padėties priklausoma difuzija, kai dalelės judėjimas priklauso nuo aplinkos struktūros.

Biologijoje tai ypač svarbu, jog tokie judėjimai lemia, kaip medžiagos sklinda per membranas, audinius ar skysčius. Todėl šis eksperimentas gali tapti nauju būdu tyrinėti, pavyzdžiui, kaip vaistai patenka į organizmo ląsteles.