فکرش را بکنید؛ موتوری که دمای آن از سطح خورشید هم بالاتر میرود، اما نه غولآساست، نه در مرکز یک شتابدهنده عظیم، بلکه فقط از یک ذره کوچک سیلیس ساخته شده است. این موتور عجیب قرار نیست برق شهرها را تأمین کند، اما میتواند نگاه ما به ترمودینامیک، میکروماشینها و حتی فرآیندهای درون سلولهای بدن را عوض کند.
برای میلیاردها سال، داغترین نقطه منظومه شمسی خورشید بود؛ ستارهای سرشار از هیدروژن و هلیوم که در هستهاش به دماهای سرسامآور میرسد. اما از وقتی انسان وارد دنیای فیزیک هستهای و ذرات بنیادی شد، توانست در آزمایشگاه دماهایی خلق کند که با خورشید برابری میکند یا حتی از آن جلو میزند؛ هرچند فقط برای لحظاتی بسیار کوتاه.
از راکتورهای غولپیکر تا موتوری به اندازه یک ذره گرد و غبار
در دنیای فناوریهای پرانرژی، معمولاً برای رسیدن به دماهای خارقالعاده به ماشینهای غولپیکر نیاز داریم. مثلاً راکتور آزمایشی همجوشی هستهای ITER که قرار است در آینده راهاندازی شود، به اندازه وزن تقریبی سه برج ایفل جرم خواهد داشت و هدف آن نگهداشتن پلاسما در حدود ۱۵۰ میلیون درجه سلسیوس است؛ یعنی تقریباً ۱۰ برابر دمای هسته خورشید.
یا شتابدهنده بزرگ هادرون (LHC) که محیط آن به حدود ۲۷ کیلومتر میرسد، میتواند در برخوردهای پرانرژی، «آتشگوی»های ریز با دمای حدود ۵٫۵ تریلیون درجه سلسیوس ایجاد کند؛ هرچند فقط برای کسری ناچیز از ثانیه.
حالا یک تیم پژوهشی نشان داده که رسیدن به دماهای رقیب خورشید، الزماً به این همه عظمت نیاز ندارد. مطالعهای که در نشریه Physical Review Letters منتشر شده، نشان میدهد میتوان یک موتور گرمایی را در مقیاسی بسیار کوچک، تا حد یک ذره منفرد، پیادهسازی کرد.
موتور تکذرهای؛ آزمایشگاهی مینیاتوری برای قوانین ترمودینامیک
گروهی از دانشمندان به رهبری «مالی مِسیج»، دانشجوی دکتری در کینگز کالج لندن، یک موتور گرمایی تکذرهای ساختهاند تا بتوانند قوانین ترمودینامیک را در مقیاسهای میکروسکوپی و همچنین برخی فرآیندهای زیستی درون بدن انسان را بهتر درک کنند.
در این آزمایش، آنها از یک ذره سیلیس با قطر فقط ۴٫۸۲ میکرومتر استفاده کردند؛ چیزی در حدود ۵ درصد ضخامت یک موی معمولی انسان. این ذره سیلیس در فشار پایین و با کمک میدانهای الکتریکی در ابزاری به نام «تله پاول» (Paul Trap) در هوا معلق نگه داشته شد.
سپس پژوهشگران با اعمال ولتاژ به یکی از الکترودهای تله، دمای مؤثر سیستم را بالا بردند. در همین چیدمان آزمایشی، آنها توانستند دما را تا حدود ۱۰ میلیون کلوین بالا ببرند؛ عددی بسیار بیشتر از دمای سطح خورشید و تنها چند میلیون کلوین کمتر از دمای هسته آن.
نکته مهم اینجاست که این دما روی یک سیستم فوقالعاده کوچک اعمال میشود؛ جایی که رفتار انرژی، گرما و نوسانات محیطی دیگر شبیه دنیای ماکروسکوپی و موتورهای کلاسیک نیست.
وقتی موتور بهجای داغ شدن سرد میشود
این نخستینبار است که در چنین مقیاس کوچکی به دماهایی در حد خورشید میرسیم و همین موضوع دادههایی پدید آورده که در نگاه اول عجیب و شهودینبودن آنها کاملاً طبیعی است. مثلاً در برخی «دورهای کاری» موتور، سیستم حتی با قرار گرفتن در معرض دمای بالاتر، بهجای گرمتر شدن، خنکتر میشد.
این رفتار متناقضنما حاصل تأثیر تصادفی و شدید نوسانات حرارتی محیط اطراف بر یک سیستم میکروسکوپی است؛ جایی که قوانین ترمودینامیک همچنان برقرارند، اما به دلیل اندازه بسیار کوچک سیستم، اثرات آماری و نوسانی بسیار پررنگتر ظاهر میشوند.
بهگفته تیم پژوهشی، این نتایج نشان میدهد که در مقیاسهای میکرو و نانو، موتورهای گرمایی میتوانند رفتارهایی از خود نشان دهند که در دنیای موتورهای بخار، توربینها و موتورهای احتراقی تقریباً غیرقابل تصور است.
مِسیج در بیانیهای مطبوعاتی میگوید: «موتورهای گرمایی و انواع انتقال انرژی درون آنها، نسخهای کوچکشده از آن چیزی هستند که در کل جهان رخ میدهد. مطالعه موتور بخار، زمینهساز شکلگیری علم ترمودینامیک شد و در نهایت به کشف بسیاری از قوانین بنیادی فیزیک انجامید. حالا هم ادامه این مسیر، اما در رژیمهای جدید و مقیاسهای تازه، میتواند دریچهای نو به فهم ما از جهان و فرایندهایی که آن را پیش میبرند باز کند.»
از هسته سلول تا طراحی میکروماشینها
اهمیت این آزمایش فقط در ثبت یک رکورد دمایی تازه نیست. با فهم دقیقتر ترمودینامیک در مقیاسهای میکروسکوپی، میتوانیم هم موتورهای کارآمدتر در دنیای مهندسی بسازیم و هم فرآیندهای پیچیده زیستی را بهتر مدلسازی کنیم؛ از جمله تا شدن پروتئینها درون سلولها؛ موضوعی که جایزه نوبل شیمی ۲۰۲۴ به آن اختصاص یافت.
نویسندگان مقاله مینویسند: «رفتار ترمودینامیکی سامانههای میکروسکوپی پر از شگفتی است؛ موتور میتواند برای مدت کوتاهی برعکس کار کند، پدیدهای مثل انتشار (diffusion) میتواند جهتدار شود و محیط حرارتی میتواند به نوعی به یاد بیاورد که پیشتر کجا بودهاید.»
بهعبارت دیگر، در این مقیاس کوچک، گذشته سیستم و تاریخچه حرکت آن میتواند روی وضعیت فعلی اثر بگذارد؛ چیزی که در مدلهای کلاسیک انتقال گرما و ماده خیلی کمتر دیده میشود.
به باور پژوهشگران، مدلهای دقیق و بهروز از ترمودینامیک در مقیاس میکرو برای درک بهتر انتقال مواد در زیستشناسی سلولی و همچنین طراحی نسل جدید میکروماشینها و نانودستگاهها حیاتی است. دستگاههایی که در آینده شاید در رگهای ما حرکت کنند، دارو را دقیقاً به سلولهای هدف برسانند یا در تراشههای بسیار کوچک، وظایف مکانیکی ظریفی انجام دهند.
شاید این موتور تکذرهای هیچوقت یک شهر را روشن نکند، اما میتواند راه را برای فناوریهایی باز کند که در مرز میان فیزیک، زیستشناسی و مهندسی حرکت میکنند؛ جایی که هر ذره، خودش یک آزمایشگاه کامل است.
