Najgorętszy silnik świata stworzony przez uczonych z King’s College London to nie tylko kolejny rekord temperaturowy. To przede wszystkim okno do świata zjawisk, które dotychczas uważaliśmy za niemożliwe do zaobserwowania. Mikroskopijna skala całego układu pozwala na badanie procesów, które w makroświecie po prostu nie występują.
Silnik gorętszy od Słońca
Sam silnik to w rzeczywistości pojedyncza naładowana cząstka zawieszona w próżni przy pomocy pól elektrycznych w specjalnej pułapce Paula. Opisane w Physical Review Letters badanie pokazuje, jak naukowcom udało się osiągnąć temperatury rzędu dziesiątek milionów kelwinów, co faktycznie przekracza wartości panujące w jądrze Słońca. Technika elektrycznej lewitacji umożliwia precyzyjną kontrolę nad mikrocząstką w warunkach ekstremalnie niskiego ciśnienia, a zastosowanie szumnego napięcia do jednej z elektrod prowadzi do zaskakujących efektów termodynamicznych.
Najciekawsze w całym eksperymencie są zachowania, które zdają się przeczyć podstawowym prawom termodynamiki. Okazało się, że system czasami ochładzał się pod wpływem wyższych temperatur zamiast się nagrzewać. To efekt fluktuacji termicznych w otaczającym środowisku, które na mikroskali działają w sposób zupełnie nieintuicyjny z naszego, makroskopowego punktu widzenia.
Przechodząc do praktycznych aspektów, platforma badawcza może posłużyć jako komputer analogowy do przewidywania sposobu fałdowania białek. To niezwykle istotny obszar badań, który w zeszłym roku został uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii. Nowa metoda może okazać się skuteczniejsza niż istniejące rozwiązania cyfrowe. Problem konwencjonalnych modeli, takich jak AlphaFold, polega na rozbieżnych skalach czasowych. Białka fałdują się w milisekundach, ale atomy poruszają się w nanosekundach – różnica, która sprawia ogromne trudności obliczeniowe. Londyński zespół omija ten problem przez obserwację ruchu mikrocząstki i opracowanie równań na tej podstawie.
Metoda analogowa może zużywać znacznie mniej energii niż tradycyjne komputery cyfrowe, co czyni ją bardziej zrównoważoną. Białka działają jako silniki napędzające większość procesów w organizmie, więc lepsze zrozumienie ich mechaniki to klucz do poznania chorób i sposobów ich leczenia.
Kolejnym fascynującym aspektem jest fakt, że silnik wykazuje gigantyczne fluktuacje w wymianie ciepła ze środowiskiem. Jego wydajność charakteryzują zdarzenia stochastyczne, w których wykonuje więcej pracy niż zużywa ciepła – zjawisko niemożliwe do zaobserwowania w skali makro. Niejednorodność syntetycznego środowiska powoduje, że cząstka doświadcza dyfuzji zależnej od pozycji, co jest kluczowym zjawiskiem w mikroprocesach biologicznych.
Te niezwykłe właściwości otwierają nowe perspektywy dla zrozumienia procesów zachodzących w żywych komórkach. Mikroskala rządzi się prawami, które często stoją w sprzeczności z naszą intuicją opartą na doświadczeniach z makroświata. Badanie silników w ekstremalnych warunkach oferuje potencjał poszerzenia wiedzy nie tylko o procesach biologicznych, ale także o fundamentalnych zasadach rządzących wszechświatem.
Platforma zapewnia bezprecedensowe możliwości badania praw termodynamiki na małą skalę. To pierwszy eksperyment osiągający tak wysokie temperatury przy zachowaniu mikroskopijnych rozmiarów, co otwiera całkowicie nowe pole badawcze. Odkrycie brytyjskich naukowców pokazuje, jak wiele tajemnic kryje jeszcze mikroświat. Silniki i procesy energetyczne to mikrokosmos szerszego wszechświata – ich badanie może ujawnić fundamentalne prawa fizyki, które dotąd pozostawały ukryte przed naszym wzrokiem.