W londyńskim laboratorium opracowano mikroskopijny silnik – naładowaną cząstkę krzemionkową utrzymywaną w próżni w pułapce Paula.
-
Gwałtowne zmiany pól elektrycznych powodują, że cząstka osiąga ~10 mln °C, czyli temperatury zbliżone do jądra Słońca.
-
Zespół zauważył nietypowe zjawisko: w pewnych warunkach układ ochładzał się pod wpływem wyższej temperatury, co wynika z dominujących w mikroskali fluktuacji termicznych.
-
Naukowcy stworzyli nowy model teoretyczny opisujący te oscylacje z dużą dokładnością.
-
Najważniejsze zastosowanie: modelowanie fałdowania białek i złożonych procesów biologicznych — potencjalnie znacznie tańsze energetycznie niż superkomputerowe symulacje.
-
Mikrosilnik może pomóc w badaniu procesów komórkowych, ruchu cząsteczek i projektowaniu nanomaszyn.
-
Technologia otwiera nowe możliwości w biotechnologii, medycynie i nanoinżynierii.
W jednym z londyńskich laboratoriów powstało urządzenie, które w kilka chwil osiąga temperatury przewyższające te panujące w jądrze Słońca. Choć brzmi to jak science fiction, chodzi o układ tak mały, że trudno dostrzec go gołym okiem — mikroskopijną cząstkę krzemionkową utrzymywaną w próżni przy pomocy tzw. pułapki Paula. To konfiguracja elektrod pozwalająca unosić naładowaną cząstkę w powietrzu, a następnie manipulować nią za pomocą zmiennych pól elektrycznych.
To właśnie gwałtowne zmiany napięcia sprawiają, że temperatura układu rośnie do około 10 milionów stopni Celsjusza. Dla porównania, jądro Słońca osiąga średnio 15 milionów stopni — różnica przestaje więc robić wrażenie dopiero wtedy, gdy uświadomimy sobie, że mowa o cząstce liczącej zaledwie ułamek mikrometra. Zjawisko to pokazuje, jak niezwykle różnią się procesy zachodzące w makro- i mikroskali.
Silnik, który potrafi się… ochłodzić pod wpływem ciepła
Najbardziej zaskakujące nie okazały się jednak same temperatury, lecz zachowanie układu pod wpływem zewnętrznych warunków. Zespół King’s College London zaobserwował, że w niektórych eksperymentach cząstka ochładzała się po wystawieniu na wyższą temperaturę, co na pierwszy rzut oka przeczy intuicyjnemu rozumieniu termodynamiki.
To zjawisko nie oznacza jednak, że prawa fizyki przestają działać. W mikroskali dominują fluktuacje termiczne, które w skali makro są praktycznie niewidoczne. Wystarczy niewielka zmiana energii, by układ zachował się inaczej, niż sugerują uproszczone równania. Naukowcy opracowali nowy model teoretyczny, który pozwala zrozumieć te nietypowe oscylacje i z dużą precyzją przewidywać ich przebieg.
Nowa metoda badania białek — alternatywa dla superkomputerów
Choć badanie ekstremalnych temperatur samo w sobie jest fascynujące, największe nadzieje budzi potencjalne zastosowanie mikrosilnika. Najciekawszym obszarem, na który wskazują badacze, jest modelowanie fałdowania białek — jednego z najbardziej złożonych procesów biologicznych, a zarazem zagadnienia nagrodzonego Noblem w chemii w 2024 roku.
Tradycyjne symulacje, takie jak te wykorzystywane przez AlphaFold, muszą uwzględniać miliony atomów w ogromnie długich skalach czasowych, co pochłania olbrzymie zasoby obliczeniowe. W londyńskiej metodzie obserwuje się jedynie ruch mikroskopijnej cząstki, a na podstawie jej dynamiki tworzy się zestaw równań odzwierciedlających proces. To podejście zmniejsza zapotrzebowanie na energię i moc obliczeniową, a jednocześnie umożliwia modelowanie zjawisk, których komputerowe algorytmy nie są w stanie uchwycić.
Mały układ, wielkie konsekwencje
Badacze podkreślają, że mikrosilnik może stać się narzędziem do symulowania nie tylko białek, ale także stochastycznych procesów komórkowych, ruchu cząsteczek czy transferu energii na poziomie nano- i mikroskopowym. To otwiera drogę do bardziej precyzyjnego projektowania nanomaszyn, nowych terapii czy materiałów działających w skrajnych warunkach.
Jak zauważa współautorka badania, Molly Message, badania takich silników pomagają lepiej zrozumieć fundamenty fizyki — podobnie jak dawniej poznanie silnika parowego dało początek całej dziedzinie termodynamiki.
Pozostaje pytanie, czy i jak szybko ta nowatorska platforma znajdzie praktyczne zastosowania w medycynie, biotechnologii czy nanotechnologii. Jedno jest pewne: rekordowo gorący mikrosilnik staje się bramą do zupełnie nowych metod badawczych, które jeszcze kilka lat temu wydawały się poza zasięgiem.
Komentarze (0)