Güneşten Daha Sıcak Mikroskobik Motor Fiziğin Sınırlarını Zorluyor

Fizikçiler, vakumda tek bir silika parçacığını havada tutarak ve ona 10 milyon kelvinin (10 milyon °C veya 18 milyon °F) üzerindeki sentetik sıcaklıklarla müdahale ederek, mikroskobik bir Stirling ısı motoru yarattılar – bunu minik bir makineyi çalıştırmak için değil, ısı ve enerjinin fiziğini daha iyi anlamak için yaptılar.

Dikkat çekici bir şekilde, bu aynı zamanda vücudumuzun içinde gerçekleşen karmaşık mikroskobik süreçlere de ışık tutuyor.

“Bu deneysel platform, yalnızca yüksek sıcaklıkları değil, aynı zamanda konuma bağlı difüzyonun biyolojik olarak anlamlı termodinamik senaryosunu simüle etme ve keşfetme konusundaki büyük potansiyelini gösteriyor,” diye yazıyor King’s College London’dan fizikçi Molly Message liderliğindeki bir ekip.

“Konuma bağlı difüzyon, örneğin protein katlanmasını ve biyolojik ortamlarda kütle taşınımını anlamak için kilit öneme sahiptir.”

Bir Stirling motoru, kapalı bir gaz veya sıvının ısıtılıp soğutulmasıyla onun genişleyip büzülmesini sağlayarak ısıyı mekanik enerjiye dönüştürür. Mikroskobik bir Stirling motoru da aynı prensiplere dayanan, ancak mikrometre ölçeğinde çalışan minyatür bir benzeridir.

Message ve ekibi motorlarını, çapı yalnızca 4.82 mikrometre olan küresel bir silika parçacığı etrafında inşa ettiler – bu, bir insan saç telinin genişliğinin bir kesri kadardır. Bu parçacık, elektrik alanlarından oluşan bir tuzakta havada tutuldu; burada biraz titreşebiliyor, ancak kaçamıyor.

Daha sonra, parçacığa elektriksel gürültü uygulayarak sıcaklığı 13 milyon kelvine kadar simüle ettiler – bu, Güneş’in 5.800 K’lik yüzey sıcaklığından çok daha yüksek ve çekirdeğinin yaklaşık 15 milyon K’lik sıcaklığına yaklaşan bir değerdi.

Bunlar fiziksel değil, etkin (effective) sıcaklıklardır: Sisteme uygulanan elektriksel gürültü, silika parçacığının 13 milyon K sıcaklık koşullarında olsaydı titreyeceği şekilde titreşmesine neden olur.

Bu arada, parçacığın etrafındaki “soğuk” ortam yaklaşık 100 kat daha düşük kaldı – bu, gerçek bir Stirling motorunda elde edilemeyecek bir sıcaklık farkıydı – ve bu durum, termodinamiğin tam ölçekli sistemlerde mümkün olmayan yönlerini incelemeye olanak tanıdı.

Bunun nedeni, termodinamiğin ikinci yasasının mikroskobik ölçekte yalnızca ortalamalar üzerinden uygulanabilmesidir. Bu nedenle, büyük bir dalgalanma veya verimliliğin geçici olarak %100’ün üzerine çıktığı gibi anlar, yasayı ihlal ediyor gibi görünse de, her şey ortalamaya vurulduğunda sistem olması gerektiği gibi davranır.

Ekip sistemlerini önce parçacığı “ısıtmak” için gürültü uygulayarak çalıştırdı. Ardından, parçacığın daha fazla titreşmesine izin verecek şekilde elektriksel tuzağı ayarladılar – bu, Stirling çevriminin genişleme evresiydi. Sonra, büzülme evresinde, gürültü kapatıldı, parçacığın “soğumasına” izin verildi ve tuzak yeniden ayarlanarak titreşim azaltıldı.

Araştırmacılar, sistemin davranışını ayrıntılı olarak incelemek için her deneyi 700 ila 1.400 çevrim arasında çalıştırdılar. Isı alışverişinde büyük dalgalanmalar gözlemlediler ve parçacığın tükettiğinden daha fazla iş ürettiği, verimliliğin geçici olarak %100’ün üzerine çıktığı kısa dönemler fark ettiler.

Bu, küçük ölçeklerdeki ısı ve enerji dalgalanmalarının rastgele doğasından kaynaklanan beklenen bir sonuçtu.

Asıl ilginç olan, parçacığın tuzakta rastgele titreşmemesiydi; hareketi, tuzak içindeki konumuna bağlıydı.

Bir ortamın sıcaklığı ve yoğunluğu değiştiğinde, bu parçacıkların nasıl hareket ettiğini değiştirir; bu olguya konuma bağlı difüzyon denir.

Bu, parçacıkların zarlar, sıvılar ve dokularla etkileşime girdiği biyolojik sistemlerde önemlidir. Bu nedenle, ekibin kurduğu sistem, vücut içindeki ilaç taşınımı gibi problemleri araştırmak için bir yol olabilir.

Ekip şimdi mikroskobik Stirling motorlarını dengeden daha da uzaklaştırarak, hareketi ve enerjiyi en küçük ölçeklerde yöneten garip, dalgalı fiziği keşfetmeyi umuyor.

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.