این موتور داغ‌تر از خورشید می‌شود، اما تنها از یک ذره ساخته شده است

دانشمندان موتوری ساخته‌اند که تنها از یک ذره‌ی سیلیس معلق در یک میدان الکتریکی تشکیل شده است و آن را تا دماهایی بالا برده‌اند که با دمای هسته‌ی خورشید برابری می‌کند. اگرچه این موتور هیچ کاربرد عملی مستقیم ندارد، هدف از ساخت آن بررسی درک ما از ترمودینامیک و برخی فرآیندهای زیستی است. پژوهشی که این موتور را شرح می‌دهد، رفتارهای ترمودینامیکی خاص و غیرمستقیمی را در مقیاس میکروسکوپی آشکار می‌سازد که می‌تواند به مهندسان در ساخت موتورهای پیشرفته‌تر کمک کند.

برای حدود ۴.۶ میلیارد سال، هیچ نقطه‌ای در منظومه‌ی خورشیدی داغ‌تر از خورشید نبود. سپس، به شکلی غیرمنتظره، گروهی از نخستی‌سانان بزرگ‌مغز که روی سومین سیاره‌ی منظومه‌ی خورشیدی زندگی می‌کنند، به لایه‌های اتمی جهان نفوذ کردند و روش‌هایی را برای تولید حرارت، هرچند در بازه‌های زمانی بسیار کوتاه، کشف نمودند که با این گوی آتشین از هیدروژن و هلیوم برابری می‌کرد یا حتی از آن پیشی می‌گرفت.

به‌طور معمول، چنین ماشین‌های حرارتی شگفت‌انگیزی باید بسیار بزرگ باشند تا بتوانند این دماها را تولید کنند. برای نمونه، راکتور آزمایشی بین‌المللی گداخت هسته‌ای (ITER) که قرار است پلاسما را در دمای ۱۵۰ میلیون درجه‌ی سلسیوس نگه دارد (یعنی ده برابر دمای هسته‌ی خورشید) جرمی در حد سه برابر برج ایفل دارد. شتاب‌دهنده‌ی بزرگ هادرونی با محیطی برابر با حدود ۲۷.۳۶ کیلومتر قادر است گوی‌های آتشین ریزمقیاسی ایجاد کند که دمای آن‌ها به ۵.۵ تریلیون درجه‌ی سلسیوس می‌رسد، البته تنها برای زمان‌هایی در حد یک تریلیونم ثانیه. با این حال، مطالعه‌ای تازه که در نشریه‌ی Physical Review Letters منتشر شده نشان می‌دهد که چنین ماشین‌هایی می‌توانند در ابعادی به‌مراتب کوچک‌تر نیز ساخته شوند.

گروهی از دانشمندان، موتوری حرارتی را طراحی کرده‌اند که تنها از یک ذره تشکیل شده و هدف آن، درک بهتر سازوکارهای ترمودینامیکی و همچنین برخی فرآیندهای زیستی در بدن انسان است. برای رسیدن به این هدف، تیم پژوهشی به رهبری مالی مسیج، دانشجوی دکتری از کینگز کالج لندن، از یک ذره‌ی سیلیس با قطر تنها ۴.۸۲ میکرومتر استفاده کرد؛ یعنی حدود ۵ درصد ضخامتِ یک تار موی انسان. این ذره‌ی سیلیس در فشار پایین، به کمک سامانه‌ای از میدان‌های الکتریکی که با نام «تله‌ی پاول» شناخته می‌شود، معلق نگه داشته شد. سپس پژوهشگران با اعمال ولتاژ به یکی از الکترودهای این تله، دما را افزایش دادند. در این پیکربندی، آن‌ها توانستند دما را تا ۱۰ میلیون کلوین بالا ببرند؛ دمایی بسیار فراتر از سطح خورشید و تنها چند میلیون کلوین کمتر از دمای هسته‌ی آن.

به‌عنوان نخستین گروهی که چنین دماهایی در ابعاد میکروسکوپی ایجاد کرده‌اند، آنان به داده‌هایی دست یافتند که در ابتدا خلاف تصور رایج از رفتار قوانین ترمودینامیک در این مقیاس بود. برای نمونه، در حین کار موتور، گاهی سیستم در مواجهه با دمای بالاتر، به‌جای گرم‌ترشدن، سرد می‌شد؛ پدیده‌ای که بیشتر ناشی از اثر تصادفی نوسانات حرارتی محیط پیرامون است که در مقیاس میکروسکوپی نقش مهمی دارد.

مسیج، نویسنده‌ی اصلی مقاله، در توضیح این یافته‌ها گفت که موتور و انواع تبادل انرژی درون آن، بازتابی کوچک از رفتار جهان در ابعاد بزرگ‌اند. او توضیح داد که مطالعه‌ی موتور بخار به پیدایش علم ترمودینامیک انجامید و این علم بعدها برخی از بنیادی‌ترین قوانین فیزیک را آشکار کرد. به گفته‌ی او، ادامه‌ی مطالعه‌ی موتورهای حرارتی در حوزه‌های تازه، امکان گسترش درک ما از جهان و نیروهای شکل‌دهنده‌ی آن را فراهم می‌کند.

مسیج همچنین بیان کرد که این شناخت دقیق در مقیاس میکروسکوپی می‌تواند هم در ساخت موتورهای بهتر و هم در مطالعه‌ی کارکردهای زیستی همچون تاخوردگی پروتئین (موضوع جایزه‌ی نوبل شیمی ۲۰۲۴)، نقش مهمی داشته باشد.

در بخش دیگری از مقاله آمده است که رفتار ترمودینامیکی سامانه‌های میکروسکوپی پر از شگفتی است؛ موتور می‌تواند برای مدت کوتاهی در جهت معکوس کار کند، فرایند انتشار می‌تواند جهت‌دار شود و محیط حرارتی می‌تواند موقعیت قبلی سامانه را به خاطر بسپارد. از نگاه نویسندگان، مدل‌سازی دقیق ترمودینامیک در این مقیاس برای درک انتقال مواد در زیست‌شناسی سلولی و همچنین برای طراحی ریزماشین‌ها ضروری است.