Демон позапрошлого века нарушил равновесие круглых молекул
Мистика не чужда правильной науке. Кроме того физики иногда вынуждены прибегать к помощи оккультных сил. Набравшись смелости и начитавшись об одном загадочном существе практически полуторавекового возраста, учёные взялись за работу и — изумлённым исследователям явился демон!
К счастью, обстановку удалось удержать под контролем.
Природа горазда на всякие технологические чудеса. Она довольно часто применяет в ответственных биологических процессах механизмы, каковые возможно назвать молекулярными двигателями. Эти «естественные моторы» воодушевляют учёных на создание чего-то похожего в собственных лабораториях.
Но сотворить такие устройства на молекулярном уровне не так легко. Тепловая энергия в микромире проявляет себя не так, как в привычных нам макроусловиях. На микроуровне тепло преобразовывается в кинетическую энергию небольших частиц, каковые всегда дёргаются, пребывав в постоянном броуновском перемещении.
Темп этих перемещений столь велик, траектория молекул из-за постоянных столкновений так непредсказуема, а их самих так много, что эти частички схватить не удастся никаким пинцетом. Но осуществлять контроль перемещение молекул в некоторых случаях учёным весьма хотелось бы. Неприятность эта достаточно давешняя и тревожит умы с середины XIX века, не смотря на то, что больших прорывов в данной области было сделано мало.
Максвелл придумал пара различных режимов работы собственного демона. A) Демон Максвелла устраивает твёрдый фейсконтроль для молекул. Пропускает лишь светло синий (предположим, что они холодные), красным (горячим) вход закрыт. Через некое время в одном сосуде остаются тёплые, а во втором планируют холодные. В итоге – очевидный температурный дисбаланс. B) Второй случай. В этом случае демон готов пропускать кого угодно.
В одном сосуде молекул делается больше, чем в другом, но результат такой же, как в первом случае: один из сосудов (где молекул большое количество) делается горячее (иллюстрация с сайта s119716185.websitehome.co.uk).
Скорость перемещения молекул связана с теплотой. В случае если у учёных покажется возможность руководить ими, то, значит, они смогут руководить и температурой разных совокупностей.
Думая над такими проблемами, британский физик Джеймс Клерк Максвелл (James Clerk Maxwell) внес предложение несложной метод «администрировать» поведение молекул. Речь заходит всего лишь о мысленном опыте, что, действительно, покинул громадный след в науке и вошёл во все книжки физики.
Придуманная Максвеллом совокупность складывается из двух сосудов, наполненных газом и сообщающихся между собой. Отверстие, которое соединяет ёмкости, может закрываться и раскрываться посредством весьма лёгкой затворки, которой руководит демон (этого мистического субъекта было нужно допустить в теорию). Действительно, что это за демон, откуда он и как его кличут — не уточнялось, исходя из этого потом (для соблюдения научной последовательности) демона так и прозвали – демон Максвелла.
Демон обязан смотреть за тем, какие конкретно молекулы в следствии собственного хаотического перемещения подлетают к отверстию. В зависимости от их скорости демон открывает заслонку, «сортируя» молекулы так, дабы в одном сосуде оставались «холодные» (медленные), а в другом – «тёплые» (стремительные).
Джеймс Клерк Максвелл (1831-1979 годы). Кроме других достижений в области физики и математики великий учёный обрисовал принцип работы термодинамического демона. Но как его направляться изображать на картинах – не уточнил.
Исходя из этого в науке не сложилось единого мнения о том, красный демон либо зелёный, и должны ли у него быть рога, трезубец и хвост (фото с сайта ifi.unicamp.br).
Если бы таковой демон имел возможность существовать в действительности, то его работа привела бы к нарушению Второго закона термодинамики. Напомним, закон гласит, что тепло неимеетвозможности самопроизвольно переходить от холодного тела к тёплому.
А ведь, нарушив данный запрет, возможно было создать тепловую машину, которая трудилась бы без энергии и потребления топлива…
Очевидно, у Максвелла не было никаких замыслов по поводу разрушения термодинамики, да и строить вечных двигателей он не желал. Физик всего-то задумал проиллюстрировать статистическую природу Второго закона. Но потом эта «демоническая модель» часто воодушевляла многих – от изобретателей до философов, не смотря на то, что и оставалась в стороне от практики «громадной науки».
Но демон был живуч и заявил о себе спустя ровно 140 лет. Возможно, это кроме того не демон, а какой-нибудь джинн, талантливый томиться столетиями в безвестности, терпеливо ожидая собственного часа. Жаль, что Максвелл в этом не согласился.
Но, так или иначе, химики университета Эдинбурга (University of Edinburgh) из исследовательской группы Дэвида Лея (David A. Leigh) создали молекулярную машину, принцип действия которой основан на работе для того чтобы демона.
Доктор наук Дэвид Лей. Он смог приручить демона Максвелла для опытов в области термодинамики, не смотря на то, что это и было непросто.
Сможет ли он сделать то же самое в области карточных игр – до тех пор пока неизвестно (иллюстрация с сайта s119716185.websitehome.co.uk).
Эта наномашина представляет собой ротаксан. Ротаксаны – это молекулярные структуры, складывающиеся из замкнутой циклической молекулы, нанизанной на линейную молекулу, у которой на финишах имеются объёмные группы, каковые не дают кольцевой молекуле соскочить. Сейчас эти структуры стали пользоваться громадной популярностью в разных нанотехнологических опытах (к примеру, мы говорили о солнечном моторе на базе ротаксана).
В большинстве случаев, в прошлых опытах употреблялись перемещения молекулы-кольца. Это перемещение имеет случайный темперамент, и сейчас учёные решили придумать метод как-то им управлять. Для этого они сделали пара модифицированный ротаксан.
Во-первых, в линейную молекулу «засунута» молекула углеводорода стильбена. Стильбен разделяет молекулу на две части и помогает собственного рода воротами (об этом дальше).
Помимо этого, в каждом отсеке линейной молекулы имеется «липкое место» – область, к которой молекула «прилипает», другими словами выше возможность найти её именно там. Причём в одном «куске» молекулы данный участок находится ближе к воротам, а в другом – ближе к концу.
Плюс к этому, совокупность способна реагировать на свет.
Слева изображены трансформации изученного ротаксана, а справа – трансформации, каковые должны были бы происходить в следствии действий демона над сосудами с газом.
Красная окружность – круговая молекула, нанизанная на линейную, оттенками светло синий и зелёного продемонстрированы «липкие» участки. a) В начальном положении линейная молекула «закрыта» (ворота указаны стрелкой). b) В следствии освещения ворота раскрываются, и из-за теплового колебания круговая молекула переходит на другую часть линейной © и прикрепляется к «липкому» месту, по окончании чего (d) ворота закрываются. Равновесие сместилось. При облучении данной конфигурации круговая молекула, вероятнее, не откроет ворота и не перейдёт на прошлую позицию (иллюстрация Viviana Serreli, Chin-Fa Lee, Euan R. Kay, David A. Leigh).
В исходном состоянии ворота-стильбен закрыты. В случае если излучение падает на циклическую молекулу, то она сигнализирует об этом воротам. Это проявляется в том, что кольцо передаёт воротам некую энергию, которой хватает им, дабы открыться и закрыться за маленький временной отрезок.
Так как в одной части молекулы кольцо находится ближе к воротам, то выше возможность того, что открытые ворота молекула пройдёт как раз из данной части, и что энергетический сигнал от неё дойдёт до ворот.
Трудясь с громадным числом таких совокупностей, учёные заметили то, что и ожидали: в итоге большая часть кольцевых молекул появилось в одной части ротаксана. Равновесие выяснилось смещённым.
Циклические молекулы, как им и надеется, колеблются — так как владеют некой тепловой энергией (опыт проводился при 25 градусах по шкале Цельсия). А это значит, что совместно со смещением молекул в пространстве случилось и смещение теплового равновесия.
В случае если так равновесие будет смещено, скажем, много ротаксановых структур, то сдвиг будет весьма заметен. А результат – тот самый, что Максвелл предсказал лишь теоретически – нарушение Второго закона термодинамики: одна часть совокупности станет холоднее второй.
А одна художница, вдохновившись демоном Максвелла-Лея, решила возложить на него ответственность не только за ворота, но и за кольца. Вот таковой симпатяга (иллюстрация Regina Fernandes – Illugraphics).
Но, со столь скоропалительными выводами спешить не будем. В формулировке закона говорится о неосуществимости перехода, происходящего спонтанно. Другими словами – без дополнительного подведения энергии.
А в данном опыте некоторый расход энергии был – световое излучение. Так что за термодинамику возможно быть спокойным – она осталась целой и невредимой.
К тому же, реализованный проект кроме того не очень-то похож на вечный двигатель – как никак, достигнутое соотношение энергии между двумя частями ротаксанов в среднем составляло 7:3, не более. Это, само собой разумеется, весьма впечатляющее значение для экспериментальной физики, но далёкое от всякой фантастики. Что ж, возрадуемся опять: и в этом случае никаких посягательств на классическую физику не произошло.
Наряду с этим Примечательно, что поведение созданной совокупности описывается моделью с демоном Максвелла. Пускай и не со всемогущим, но с тем самым, о котором великий физик говорил в десятнадцатом веке.
