Η πιο «καυτή» μηχανή που έχει δημιουργηθεί ποτέ δεν είναι, με την αυστηρή έννοια, ούτε μηχανή ούτε πραγματικά καυτή. Είναι όμως ένα εντυπωσιακό παράδειγμα του πώς η φυσική συμπεριφέρεται με εντελώς παράδοξο τρόπο όταν κατεβαίνουμε στο μικροσκοπικό επίπεδο.
Μια ομάδα φυσικών δημιούργησε έναν κινητήρα από μια μικροσκοπική γυάλινη σφαίρα διαμέτρου μόλις πέντε μικρομέτρων, η οποία αιωρείται μέσα σε σχεδόν απόλυτο κενό με τη βοήθεια ηλεκτρικού πεδίου. Έπειτα, οι ερευνητές της μετέδωσαν μια ταλαντευόμενη ηλεκτρική τάση που την έκανε να δονούνται με τέτοια ένταση, ώστε να συμπεριφέρεται σαν να βρισκόταν σε θερμοκρασία 13 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου — σχεδόν όσο ο πυρήνας του Ήλιου.
Παρόλα αυτά, αν μπορούσε κανείς να την αγγίξει, δεν θα καιγόταν. Η «θερμότητά» της δεν αφορά τις κινήσεις των μορίων του υλικού, αλλά την κινητική ενέργεια της συνολικής κίνησης της σφαίρας μέσα στο πεδίο. «Κινείται σαν να την είχες τοποθετήσει μέσα σε ένα αέριο τόσο θερμό», εξηγεί ο φυσικός James Millen από το King’s College του Λονδίνου, συν-συγγραφέας της μελέτης που πρόκειται να δημοσιευθεί στο Physical Review Letters. «Απλώς… χορεύει σαν τρελή».
Ο φυσικός John Bechhoefer από το Πανεπιστήμιο Simon Fraser, που δεν συμμετείχε στη μελέτη, χαρακτήρισε το επίτευγμα «εντυπωσιακό»: «Το να δημιουργείς τόσο υψηλές αποτελεσματικές θερμοκρασίες σε τέτοια μικρή κλίμακα είναι εξαιρετικό. Και μάλιστα, όσο μεγαλύτερο το αντικείμενο, τόσο μεγαλύτερη μπορεί να γίνει η θερμοκρασία του».
Το ενδιαφέρον δεν είναι απλώς εντυπωσιακό από άποψη αριθμών· είναι ουσιαστικό για τη θερμοδυναμική, δηλαδή την επιστήμη που μελετά πώς η θερμότητα μετατρέπεται σε έργο. Η αιωρούμενη σφαίρα λειτουργεί ως νανοκινητήρας θερμότητας: μια μικροσκοπική μηχανή που μετατρέπει ενέργεια από ένα θερμό «ρεζερβουάρ» σε μηχανικό έργο, ενώ αποβάλλει την περίσσεια θερμότητας σε ένα ψυχρότερο περιβάλλον.
Για τις συνηθισμένες μηχανές, όπως οι κινητήρες αυτοκινήτων ή οι τουρμπίνες, η αναλογία θερμών και ψυχρών περιοχών δεν ξεπερνά το 3 προς 1. Ο μικροσκοπικός αυτός κινητήρας, όμως, πέτυχε αναλογία 100 προς 1, μια τιμή που ξεπερνά κάθε πρακτική κατασκευή.
Αυτό επέτρεψε στους επιστήμονες να εξετάσουν πώς λειτουργεί η φυσική όταν η θερμότητα, η τυχαιότητα και οι κβαντικές διακυμάνσεις συνυπάρχουν. Τα αποτελέσματα ήταν ανατρεπτικά: ο κινητήρας εμφάνιζε τεράστιες διακυμάνσεις στην απόδοσή του. Κάποιες φορές λειτουργούσε με 10% απόδοση, άλλες φορές 200%, ενώ σε ορισμένες στιγμές λειτουργούσε ανάποδα – αντί να θερμαίνεται, ψυχόταν.
«Η θερμοδυναμική σε μικροσκοπική κλίμακα είναι πραγματικά παράξενη – τόσο μη διαισθητική όσο και η κβαντική φυσική», λέει ο Millen. Κι όμως, αυτή η «παράξενη φυσική» είναι η καθημερινή πραγματικότητα μέσα στα κύτταρά μας, όπου μικροσκοπικές δομές όπως οι πρωτεΐνες και τα μοριακά μοτέρ κινούνται τυχαία μέσα σε ένα περιβάλλον συνεχούς αναταραχής. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι το νέο τους πείραμα μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση των βιολογικών «μηχανών», όπως της πρωτεΐνης κινησίνης, που μεταφέρει μόρια μέσα στα κύτταρα.
Ο Millen παραδέχεται ότι η γυάλινη σφαίρα «δεν κάνει κάτι πρακτικά χρήσιμο». Δεν κινεί τροχούς, δεν παράγει ενέργεια· είναι όμως ένα τέλειο πρότυπο κινητήρα, ένα πείραμα που επιτρέπει στους φυσικούς να «παίξουν» με τις θεμελιώδεις έννοιες της θερμότητας και της ενέργειας.
Καθώς η σφαίρα μετακινείται στο ηλεκτρικό πεδίο που τη διεγείρει, η «θερμοκρασία» που αντιλαμβάνεται αλλάζει συνεχώς — ένα φαινόμενο γνωστό ως διάχυση που εξαρτάται από τη θέση (position-dependent diffusion). Αυτό το φαινόμενο παίζει κρίσιμο ρόλο σε βιολογικές διεργασίες όπως η αναδίπλωση των πρωτεϊνών, όπου η κίνηση και η τυχαιότητα καθορίζουν τη ζωή σε μοριακό επίπεδο.
Όπως σχολίασε ο φυσικός Uroš Delić από το TU Wien της Βιέννης, «μόνο ένα από αυτά τα χαρακτηριστικά — είτε η ακραία θερμοκρασία, είτε η τεράστια διαφορά θερμών-ψυχρών περιοχών, είτε η διάχυση που εξαρτάται από τη θέση— θα αρκούσε για ένα σημαντικό πείραμα. Αυτή η εργασία τα συνδυάζει και τα τρία. Είναι πραγματικά… καυτή υπόθεση».
