العلماء من كينجز كوليدج لندن, تمكنوا من إنشاء محرك مجهري موضوع داخل جسيم صغير معلق في مجال كهربائي. وصل هذا النظام إلى درجة حرارة 10 مليون كلفن – حوالي 110 مليون درجة مئوية. للمقارنة، فإن قلب الشمس “يحترق” عند 15 مليون درجة، وإكليلها – ما يصل إلى 1.9 مليون. وفقًا للباحثين، فإن هذا ليس فقط المحرك الأكثر سخونة، ولكنه أيضًا أصغر محرك صنعه الإنسان على الإطلاق.

وقالت مولي ميج، المؤلفة الرئيسية للدراسة وطالبة الدكتوراه في جامعة كينغز كوليدج لندن (KCL): “من خلال فهم الديناميكا الحرارية على هذا المستوى غير البديهي، سنكون قادرين على تطوير محركات أفضل في المستقبل وإجراء تجارب تتحدى فهمنا للطبيعة”.

عندما تبدو قوانين الفيزياء غريبة

يعمل المحرك في وضع قريب من الفراغ يسمى مصيدة بول. الأقطاب الكهربائية تثبت الجسيمات الدقيقة في مكانها. عندما يتم تطبيق جهد الضوضاء عليهم، يبدأ الجسيم في التذبذب وتزداد درجة حرارته بشكل كبير.

ووفقا للفريق، ينتج المحرك في بعض الأحيان طاقة أكثر مما يتلقاه. وفي حالات أخرى، يبرد تلقائيًا على الرغم من أن الظروف يجب أن تكون دافئة. وأوضح جيمس ميلن، كبير مؤلفي الدراسة من KCL: “إننا نشهد ظواهر ديناميكية حرارية غريبة تبدو طبيعية بالنسبة للبكتيريا أو البروتينات، ولكنها غير بديهية تمامًا بالنسبة لقطع اللحم الكبيرة”.

ترجع هذه التأثيرات إلى الحجم الصغير للنظام، حيث تختلف قوانين الفيزياء عن الكون الكبير المعتاد.

اهتزازات غامضة وعالم مصغر

الحجم الصغير للمحرك يجعله غير عملي للسيارات أو الأجهزة المنزلية. ولكنه مثالي لعمليات النمذجة على المستوى المجهري، على سبيل المثال، طي البروتينات في الجسم، الذي يتحكم في عملية التمثيل الغذائي.

وأوضح جوناثان بريتشيت، المؤلف المشارك للدراسة: “تطوى البروتينات في أجزاء من الثانية، لكن الذرات التي تجعلها تتحرك تستغرق نانو ثانية. ومن الصعب على الكمبيوتر محاكاة هذه العمليات. ومن خلال مراقبة حركة الجسيمات الدقيقة وبناء معادلة بناءً على ذلك، يمكننا التغلب على هذه الصعوبات”.

تظهر النتائج التجريبية كيف أنه من الممكن دراسة سلوك الجسيمات بشكل مباشر على المستوى المجهري، حيث تتصرف القوانين الكلاسيكية للديناميكا الحرارية بشكل مختلف. يتيح لك الجهاز محاكاة التأثيرات التي تظل نظرية في الكون الكبير، بما في ذلك تبادل الطاقة ونقل الحرارة.

الفرص المستقبلية

ويرى الفريق إمكانات هذا المحرك المصغر لإجراء أبحاث أساسية في العالم الصغير. ويمكن أن تصبح أداة لدراسة الآلات المجهرية والمواد الجديدة والعمليات المعقدة التي يصعب تكرارها في المختبر على المستويات التقليدية.

وأشار الباحثون إلى أن “هذا المحرك هو مجرد مثال واحد على كيف يمكن للفيزياء المجهرية أن تفاجئ. ففهمه يتطلب أدوات جديدة ونظرة جديدة لكيفية تحرك الجسيمات وتفاعلها على أصغر نطاق”.

يوضح النظام المصغر أن العالم الصغير يخضع لقوانينه الخاصة. تتصرف الطاقة ودرجة الحرارة بشكل مختلف، وتصبح قواعد الديناميكا الحرارية المألوفة لدينا نسبية.