Создан самый горячий двигатель в мире, работающий при температуре выше солнечного ядра

Частица диоксида кремния взаимодействует с электрическим полем и частицами воздуха в вакууме. Автор: Millen Lab/King's College London

Ученые создали самый горячий двигатель в мире, работающий при температурах, превышающих температуру в ядре Солнца. Команда из Королевского колледжа Лондона и их коллеги считают, что их платформа может обеспечить беспрецедентное понимание законов термодинамики в малых масштабах и заложить основу для нового эффективного способа вычисления того, как сворачиваются белки — тема прошлогодней Нобелевской премии по химии.

Описаный в журнале Physical Review Letters двигатель представляет собой очень маленькую микроскопическую частицу, удерживаемую при низком давлении с помощью электрических полей. Эта электрическая ловушка называется ловушкой Пола. Исследователи могут экспоненциально увеличивать температуру захваченной частицы, применяя шумовое напряжение к одному из электродов, левитирующих ее.

Хотя традиционно двигатели ассоциируются с моторами, в науке их определение гораздо проще — двигатели преобразуют одну форму энергии в механическую энергию. В данном случае это преобразование тепла в движение.

Этот эксперимент стал первым в истории, в котором были достигнуты такие высокие температуры в столь малых масштабах, и команда обнаружила, что их результаты часто противоречат основным законам термодинамики. Они обнаружили, что при работе двигателя в более теплых условиях система иногда охлаждалась, а не нагревалась, как ожидалось. Это связано с обычно необнаруживаемым случайным влиянием тепловых флуктуаций в окружающей среде, которые влияют на динамику уникальным для микро- и наномасштаба образом.

Молли Мессадж, аспирант кафедры физики Королевского колледжа Лондона и первый автор статьи, заявила: «Двигатели и типы энергопередачи, происходящие в них, являются микрокосмом всей вселенной. Изучение парового двигателя породило область термодинамики, которая, в свою очередь, раскрыла некоторые фундаментальные законы физики. Продолжающееся изучение двигателей в новых режимах предлагает потенциал для расширения нашего понимания вселенной и процессов, которые движут ее развитием».

«Разобравшись с термодинамикой на этом неинтуитивном уровне, мы сможем в будущем проектировать лучшие двигатели и эксперименты, которые бросают вызов нашему пониманию природы».

Команда также надеется, что платформа может быть использована в качестве аналогового компьютера для прогнозирования того, как сворачиваются и собираются белки.

Аналоговые компьютеры — это прямые физические симуляции системы, которую вы пытаетесь смоделировать, и их можно найти еще со времен древних греков.

«Белки — это двигатели, которые питают большинство важных процессов в нашем организме, поэтому понимание их механики и того, как она может нарушаться, является жизненно важным шагом в понимании болезней и их лечения», — отмечает доктор Джонатан Притчетт, научный сотрудник Королевского колледжа.

«Преимущество нашего метода перед традиционными цифровыми моделями, такими как AlphaFold, — простота. Белки сворачиваются за миллисекунды, но атомы, из которых они состоят, движутся за наносекунды. Эти расходящиеся временные масштабы затрудняют их моделирование на компьютере. Просто наблюдая за тем, как движется микрочастица, и разрабатывая на основе этого серию уравнений, мы полностью избегаем этой проблемы».

Команда надеется, что этот новый метод также сможет потреблять меньше энергии и быть более устойчивым, чем методы, основанные на цифровых компьютерах.

Больше информации: M. Message et al, Extreme-temperature single-particle heat engine, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/2g1j-6x95. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2501.03677

Источник: King's College London