محرك مجهري أكثر سخونة من الشمس يسبر حدود الفيزياء ScienceAlert

محرك صغير بحجم الجسيمات يعمل عند درجات حرارة تقترب من الأعماق جوهر الشمس يمكن أن يفتح نافذة على أصغر التطرف الديناميكا الحرارية.

من خلال رفع جسيم واحد من السيليكا في الفراغ وتفجيره بدرجات حرارة اصطناعية أعلى من 10 ملايين كلفن (10 ملايين درجة مئوية أو 18 مليون درجة فهرنهايت)، أنشأ الفيزيائيون مجهرًا مجهريًا. محرك ستيرلينغ الحراري – ليس لتشغيل آلة صغيرة، ولكن لفهم فيزياء الحرارة والطاقة بشكل أفضل.

ومن اللافت للنظر أن هذا يوفر أيضًا نظرة ثاقبة حول العمليات المجهرية المعقدة الذي – التي تحدث داخل أجسادنا.

متعلق ب: في مختبر على الأرض، قام العلماء بتكرار الضغوط الموجودة على النجوم القزمة البيضاء

“تُظهر هذه المنصة التجريبية وعدًا كبيرًا في قدرتها على محاكاة واستكشاف ليس فقط درجات الحرارة المرتفعة، ولكن أيضًا السيناريو الديناميكي الحراري ذي الصلة بيولوجيًا للانتشار المعتمد على الموقع”. يكتب فريقا بقيادة الفيزيائية مولي رسالة من كلية كينغز لندن.

“إن الانتشار المعتمد على الموقع هو المفتاح لفهم، على سبيل المثال، طي البروتين والنقل الجماعي في البيئات البيولوجية.”

يعمل محرك ستيرلينغ عن طريق تسخين وتبريد الغاز أو السائل المحكم بحيث يتمدد وينكمش في دورة متكررة، محولاً الحرارة إلى طاقة ميكانيكية. محرك ستيرلنغ المجهري هو محرك تناظري مصغر، يعتمد على نفس المبادئ، ولكنه يعمل على مقياس ميكرومتر.

قامت مسج وزملاؤها ببناء محركهم حول جسيم كروي من السيليكا يبلغ قطره 4.82 ميكرومتر فقط – وهو جزء صغير من عرض شعر الإنسان. تم رفع هذا الجسيم في فخ مصنوع من المجالات الكهربائية، حيث يمكنه أن يهتز قليلاً، لكنه لا يستطيع الهروب.

ثم تقدموا بطلبهم الضوضاء الكهربائية للجسيم لمحاكاة درجات حرارة تصل إلى 13 مليون كلفن – وهي أكثر سخونة بكثير من درجات الحرارة درجة حرارة 5,800 ك من سطح الشمس، واقترابها درجة حرارة 15 مليون كلفن في قلبه.

هذه درجات حرارة فعالة (وليست فيزيائية): الضوضاء الكهربائية المطبقة على النظام تجعل جسيمات السيليكا تهتز تمامًا كما تفعل في ظل ظروف درجة حرارة تصل إلى 13 مليون كلفن.

وفي الوقت نفسه، ظلت البيئة “الباردة” المحيطة بالجسيم أقل بحوالي 100 مرة – وهو تباين في درجات الحرارة لا يمكن تحقيقه في محرك ستيرلنغ حقيقي – مما يسمح بدراسة الديناميكا الحرارية بما يتجاوز بكثير ما هو ممكن على نطاق كامل.

وذلك لأن القانون الثاني للديناميكا الحرارية لا يمكن تطبيقه إلا على المتوسطات على المقياس المجهري. لذلك، في حين أن هناك لحظات يبدو أنها تنتهك القانون، مثل التقلبات الكبيرة، أو الكفاءة التي تبدو أكثر من 100 بالمائة، بمجرد تحديد كل شيء في المتوسط، يتصرف النظام كما ينبغي.

قام الفريق بتشغيل نظامهم أولاً من خلال تطبيق الضوضاء على “تسخين” الجسيم. بعد ذلك، قاموا بتعديل المصيدة الكهربائية للسماح للجسيم بالاهتزاز بشكل أكبر، وهي مرحلة التوسع في دورة ستيرلنغ. بعد ذلك، بالنسبة لمرحلة الانكماش، تم إيقاف الضوضاء، مما يسمح للجسيم “بالبرودة” قبل تعديل المصيدة مرة أخرى لتقليل الاهتزاز.

أجرى الباحثون كل تجربة لمدة تتراوح بين 700 و1400 دورة لدراسة كيفية تصرف النظام بالتفصيل. لقد وجدوا تقلبات هائلة في التبادل الحراري، بالإضافة إلى فترات قصيرة بدا فيها الجسيم وكأنه ينتج عملًا أكثر من الحرارة التي يستهلكها، مما يدل مؤقتًا على معدل كفاءة يزيد عن 100 بالمائة.

وهذا مجرد نتيجة للعشوائية قصيرة المدى والتقلبات العملاقة في الحرارة والطاقة على نطاقات صغيرة، وهو أمر غير متوقع.

الجزء المثير للاهتمام حقًا هو أن الجسيم لم يهتز بشكل عشوائي في المصيدة، كما قد نرى في الانتشار الطبيعي في بيئة موحدة؛ كانت حركتها تعتمد على مكان تواجدها في الفخ.

عندما تتغير درجة الحرارة وتماسك الوسط، فإن ذلك يغير كيفية تحرك الجزيئات خلاله، وهي ظاهرة تعرف باسم الانتشار المعتمد على الموضع.

وهذا مهم في النظم البيولوجية، أين تتفاعل الجسيمات مع الأغشية والسوائل والأنسجة. لذلك قد يكون إعداد الفريق وسيلة للتحقيق في مشاكل مثل نقل المخدرات عبر الجسم.

ويأمل الفريق الآن في دفع محرك ستيرلنغ المجهري الخاص بهم إلى أبعد من التوازن، واستكشاف فيزياء غريبة ومتقلبة التي تحكم الحركة والطاقة في أصغر المقاييس.

وقد تم نشر البحث في رسائل المراجعة البدنية.