من الناحية الفنية، المحرك هو جهاز يحول بعض أشكال الطاقة إلى طاقة ميكانيكية. وبأخذ هذا التعريف على محمل الجد، قام الفيزيائيون بتسخير القواعد الغريبة للفيزياء المجهرية وإنشاء المحرك الأكثر سخونة على الإطلاق، والذي يصادف أيضًا أنه أصغر محرك تم صنعه على الإطلاق.
في ورقة بحثية قادمة لمجلة Physical Review Letters، يصف الباحثون محركًا صغيرًا محشورًا داخل جسيم مجهري محصور في طي النسيان الكهربائي. باستخدام هذا الإعداد، يقال إن المحرك حقق درجة حرارة تبلغ 10 ملايين كلفن، أو حوالي 18 مليون درجة فهرنهايت، وهي أبرد من قلب الشمس (27 مليون درجة فهرنهايت) ولكنها أكثر سخونة من الإكليل (حتى 3.5 مليون درجة فهرنهايت).
وقالت مولي ميج، المؤلفة الرئيسية للدراسة وطالبة الدكتوراه في جامعة كينغز كوليدج لندن (KCL) في المملكة المتحدة، في بيان: “من خلال التعامل مع الديناميكا الحرارية عند هذا المستوى غير البديهي، يمكننا تصميم محركات أفضل في المستقبل وتجارب تتحدى فهمنا للطبيعة”.
تصبح القواعد غير تقليدية في العالم المجهري
في المحرك، تقوم الأقطاب الكهربائية بحبس الجسيمات الدقيقة ورفعها في الهواء في إعداد قريب من الفراغ يسمى مصيدة بول. عندما طبق الباحثون جهدًا كهربيًا صاخبًا على الأقطاب الكهربائية، بدأ الجسيم في الاهتزاز بقوة، مما تسبب في زيادات هائلة في درجة حرارة النظام بأكمله.
وكانت النتائج مثيرة للاهتمام. ووفقا للباحثين، فإن المحرك يتأرجح بين كونه عالي الكفاءة ويتحدى بشكل كامل القوانين الأساسية للديناميكا الحرارية. في بعض الدورات، تجاوزت طاقة المحرك الطاقة التي يستهلكها.
وفي أحيان أخرى، يبرد المحرك بشكل عشوائي عند تعرضه لظروف كان من المفترض أن تجعله أكثر سخونة. وأشار الباحثون إلى أن هذا يرجع على الأرجح إلى القوى غير المرئية المؤثرة، بالنظر إلى الحجم الصغير للنظام.
“يمكننا أن نرى كل هذه السلوكيات الديناميكية الحرارية الغريبة، والتي تكون بديهية تمامًا إذا كنت بكتيريا أو بروتينًا، ولكنها غير بديهية إذا كنت قطعة كبيرة من اللحم مثلنا”، أوضح جيمس ميلن، مؤلف الدراسة الرئيسي والفيزيائي في KCL، لمجلة New Scientist.
التطبيقات المستقبلية؟
ونظرًا لصغر حجم المحرك، فمن المحتمل ألا ينتهي به الأمر في السيارات أو الأجهزة المنزلية، على الأقل ليس في أي وقت قريب. وبدلاً من ذلك، يتصور الباحثون المزيد من التطبيقات النظرية لقوتهم الصغيرة. على سبيل المثال، تعتبر المصيدة مثالية لمحاكاة الظواهر المجهرية الأخرى، مثل كيفية طي البروتينات داخل الجسم، مما يؤدي إلى عمليات التمثيل الغذائي المختلفة.
وأوضح جوناثان بريتشيت، مؤلف مشارك في الدراسة وباحث ما بعد الدكتوراه في KCL، في البيان: “تطوى البروتينات خلال أجزاء من الثانية، لكن الذرات (التي) تجعلها تتحرك خلال أجزاء من الثانية”. “هذه الجداول الزمنية المتباينة تجعل من الصعب جدًا على الكمبيوتر تصميمها. ومن خلال ملاحظة كيفية تحرك الجسيمات الدقيقة ووضع سلسلة من المعادلات بناءً على ذلك، فإننا نتجنب هذه المشكلة تمامًا.”
وأضاف الباحثون أن هذا مجرد مثال واحد من أمثلة كثيرة. وكما يوضح المحرك، فإن فيزياء العالم المجهري تعمل بطرق غامضة، وهي ألغاز ربما تتطلب أدوات مجهرية لحلها.