Fyysikot ovat onnistuneet rakentamaan maailman pienimmän ja samalla kuumimman moottorin. Moottorilla tarkoitetaan laitetta, joka muuttaa jonkinlaista energiaa mekaaniseksi energiaksi. Laite on kooltaan solua pienempi mutta lämpötilaltaan Auringon koronaa kuumempi. Tutkimus julkaistaan pian Physical Review Letters -lehdessä.
Moottori on tungettu mikroskooppiseen hiukkaseen, joka on niin sanotussa kvadrupoli-ioniloukussa, jossa varauksellisia hiukkasia vangitaan dynaamisten sähkökenttien avulla. Kun elektrodeihin johdettiin kohinajännitettä, hiukkanen alkoi heilua rajusti, mikä aiheutti eksponentiaalista lämpötilan kasvua koko järjestelmässä.
Järjestelmän lämpötila kohosi jopa kymmeneen miljoonaan kelviniin. Tämä on huomattavasti enemmän kuin Auringon koronan, mutta vähemmän kuin sen ytimen noin 15 miljoonan kelvinin lämpötila. Kelvin-asteikko alkaa absoluuttisesta nollapisteestä (-273,15 Celsiusastetta) mutta on asteväliltään sama kuin Celsius-asteikko.
“Oppimalla hallitsemaan termodynamiikkaa tällä epäintuitiivisella tasolla voimme suunnitella parempia moottoreita ja kokeita, jotka haastavat käsityksemme luonnosta”, sanoo väitöskirjatutkija Molly Message, tutkimuksen johtava kirjoittaja King’s College Londonin tiedotteessa.
Tulokset yllättivät tekijänsä. Moottorin havaittiin toimivan ajoittain erittäin tehokkaasti – jopa niin, että se näennäisesti rikkoi termodynamiikan peruslakeja. Joissain sykleissä sen teho ylitti kulutetun energian, toisissa taas järjestelmä jäähtyi, vaikka olosuhteet ennustivat kuumenemista. Tutkijoiden mukaan tämä johtui todennäköisesti mikroskooppisessa mittakaavassa vaikuttavista näkymättömistä voimista.
“Näemme kaikenlaisia outoja termodynaamisia ilmiöitä, jotka ovat täysin järkeenkäypiä, jos olet bakteeri tai proteiini, mutta täysin käsittämättömiä, jos olet meidänlaisemme iso lihamöykky”, selittää tutkimuksen vanhempi kirjoittaja, fyysikko James Millen New Scientistille.
Moottorin käytännön käyttökelpoisuus jäänee kuitenkin rajalliseksi. Pienen kokonsa vuoksi se tuskin löytää tietään autoihin tai kodinkoneisiin. Sen sijaan tutkijat näkevät siinä teoreettisia mahdollisuuksia esimerkiksi muiden mikroskooppisten ilmiöiden, kuten proteiinien laskostumisen, mallintamiseen.
”Proteiinit laskostuvat millisekunneissa, mutta niitä liikuttavat atomit toimivat nanosekunneissa”, selittää tutkijatohtori Jonathan Pritchett tiedotteessa. ”Nämä erilaiset aikaskaalat tekevät niiden tietokonemallintamisesta erittäin vaikeaa. Tarkkailemalla vain mikrohiukkasen liikkumista ja laatimalla sen perusteella sarjan yhtälöitä vältämme tämän ongelman kokonaan.”
Tutkijoiden mukaan tämä on vain yksi monista mahdollisista sovelluksista. Moottori osoittaa, että mikroskooppisella tasolla fysiikka toimii tavoilla, jotka poikkeavat täysin arkikokemuksesta – ja ehkä juuri siksi sen salaisuudet voi ratkaista vain yhtä pienillä työkaluilla.
Tutkimuksesta uutisoi myös Gizmodo.