05.02.2007. - Демон позапрошлого века нарушил равновесие круглых молекул

Демон позапрошлого века нарушил равновесие круглых молекул

2 февраля 2007

Мистика не чужда точной науке. Даже физики порой вынуждены прибегать к помощи оккультных сил. Набравшись смелости и начитавшись об одном таинственном существе почти полуторавекового возраста, учёные взялись за работу и — изумлённым исследователям явился демон! К счастью, ситуацию удалось удержать под контролем.

Природа горазда на всякие технологические чудеса. Она часто использует в важных биологических процессах механизмы, которые можно назвать молекулярными двигателями. Эти "естественные моторы" вдохновляют учёных на создание чего-то похожего в своих лабораториях.

Однако сотворить такие устройства на молекулярном уровне не так просто. Тепловая энергия в микромире проявляет себя не так, как в привычных нам макроусловиях. На микроуровне тепло превращается в кинетическую энергию мельчайших частиц, которые постоянно дёргаются, находясь в непрерывном броуновском движении.

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. Однако контролировать движение молекул в некоторых случаях учёным очень хотелось бы. Проблема эта достаточно давняя и беспокоит умы с середины XIX века, хотя значительных прорывов в этой области было сделано мало.

Максвелл придумал несколько разных режимов работы своего демона. A) Демон Максвелла устраивает жёсткий фейсконтроль для молекул. Пропускает только синие (предположим, что они холодные), красным (горячим) вход закрыт. Через некоторое время в одном сосуде остаются горячие, а во втором собираются холодные. В итоге – очевидный температурный дисбаланс. B) Другой случай. На этот раз демон готов пропускать кого угодно. В одном сосуде молекул становится больше, чем в другом, но итог такой же, как в первом случае: один из сосудов (где молекул много) становится горячее (иллюстрация с сайта s119716185.websitehome.co.uk).

Скорость движения молекул связана с теплотой. Если у учёных появится возможность управлять ими, то, значит, они смогут управлять и температурой различных систем.

Размышляя над такими проблемами, английский физик Джеймс Клерк Максвелл (James Clerk Maxwell) предложил простой способ "администрировать" поведение молекул. Речь идёт всего лишь о мысленном эксперименте, который, правда, оставил огромный след в науке и вошёл во все учебники физики.

Придуманная Максвеллом система состоит из двух сосудов, наполненных газом и сообщающихся между собой. Отверстие, которое соединяет ёмкости, может закрываться и открываться с помощью очень лёгкой затворки, которой управляет демон (этого мистического субъекта пришлось допустить в теорию). Правда, что это за демон, откуда он и как его зовут — не уточнялось, поэтому впоследствии (для соблюдения научной последовательности) демона так и прозвали – демон Максвелла.

Демон должен следить за тем, какие молекулы в результате своего хаотического движения подлетают к отверстию. В зависимости от их скорости демон открывает заслонку, "сортируя" молекулы так, чтобы в одном сосуде оставались "холодные" (медленные), а в другом – "горячие" (быстрые).

Джеймс Клерк Максвелл (1831-1979 годы). Помимо прочих достижений в области физики и математики великий учёный описал принцип работы термодинамического демона. Но как его следует изображать на картинках – не уточнил. Поэтому в науке не сложилось единого мнения о том, красный демон или зелёный, и должны ли у него быть рога, хвост и трезубец (фото с сайта ifi.unicamp.br).

Если бы такой демон мог существовать в реальности, то его работа привела бы к нарушению Второго закона термодинамики. Напомним, закон гласит, что тепло не может самопроизвольно переходить от холодного тела к горячему.

А ведь, нарушив этот запрет, можно было создать тепловую машину, которая работала бы без потребления топлива и энергии…

Разумеется, у Максвелла не было никаких планов насчёт разрушения термодинамики, да и строить вечных двигателей он не хотел. Физик всего-то задумал проиллюстрировать статистическую природу Второго закона. Однако впоследствии эта "демоническая модель" нередко вдохновляла многих – от изобретателей до философов, хотя и оставалась в стороне от практики "большой науки".

Однако демон оказался живуч и заявил о себе спустя ровно 140 лет. Может быть, это даже не демон, а какой-нибудь джинн, способный томиться веками в безвестности, терпеливо ожидая своего часа. Жаль, что Максвелл в этом не признался.

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 такого демона.

Профессор Дэвид Лей. Он смог приручить демона Максвелла для экспериментов в области термодинамики, хотя это и было непросто. Сможет ли он сделать то же самое в области карточных игр – пока неизвестно (иллюстрация с сайта s119716185.websitehome.co.uk).

Эта наномашина представляет собой ротаксан. Ротаксаны – это молекулярные структуры, состоящие из замкнутой циклической молекулы, нанизанной на линейную молекулу, у которой на концах имеются объёмные группы, которые не дают кольцевой молекуле соскочить. В последнее время эти структуры стали пользоваться большой популярностью в различных нанотехнологических экспериментах (например, мы рассказывали о солнечном моторе на основе ротаксана).

Как правило, в предыдущих опытах использовались перемещения молекулы-кольца. Это движение имеет случайный характер, и теперь учёные решили придумать способ как-то им управлять. Для этого они сделали несколько модифицированный ротаксан.

Во-первых, в линейную молекулу "вставлена" молекула углеводорода стильбена. Стильбен разделяет молекулу на две части и служит своего рода воротами (об этом дальше).

Кроме того, в каждом отсеке линейной молекулы есть "липкое место" – область, к которой молекула "прилипает", то есть выше вероятность обнаружить её именно там. Причём в одном "куске" молекулы этот участок находится ближе к воротам, а в другом – ближе к концу.

Плюс к этому, система способна реагировать на свет.

Слева изображены изменения исследованного ротаксана, а справа – изменения, которые должны были бы происходить в результате действий демона над сосудами с газом. Красная окружность – круговая молекула, нанизанная на линейную, оттенками синего и зелёного показаны "липкие" участки. a) В первоначальном положении линейная молекула "закрыта" (ворота указаны стрелкой). b) В результате освещения ворота открываются, и из-за теплового колебания круговая молекула переходит на другую часть линейной (с) и прикрепляется к "липкому" месту, после чего (d) ворота закрываются. Равновесие сместилось. При облучении данной конфигурации круговая молекула, скорее всего, не откроет ворота и не перейдёт на прежнюю позицию (иллюстрация Viviana Serreli, Chin-Fa Lee, Euan R. Kay, David A. Leigh).

В исходном состоянии ворота-стильбен закрыты. Если излучение падает на циклическую молекулу, то она сигнализирует об этом воротам. Это проявляется в том, что кольцо передаёт воротам некоторую энергию, которой хватает им, чтобы открыться и закрыться за короткий промежуток времени.

Так как в одной части молекулы кольцо находится ближе к воротам, то выше вероятность того, что открытые ворота молекула пройдёт именно из этой части, и что энергетический сигнал от неё дойдёт до ворот.

Работая с большим количеством таких систем, учёные увидели то, что и ожидали: в итоге большинство кольцевых молекул оказалось в одной части ротаксана. Равновесие оказалось смещённым.

Циклические молекулы, как им и полагается, колеблются — так как обладают некой тепловой энергией (опыт проводился при 25 градусах по Цельсию). А это значит, что вместе со смещением молекул в пространстве произошло и смещение теплового равновесия.

Если таким образом равновесие будет смещено, скажем, в большом количестве ротаксановых структур, то сдвиг будет очень заметен. А итог – тот самый, который Максвелл предсказал только теоретически – нарушение Второго закона термодинамики: одна часть системы станет холоднее другой.

А одна художница, вдохновившись демоном Максвелла-Лея, решила возложить на него ответственность не только за ворота, но и за кольца. Вот такой симпатяга (иллюстрация Regina Fernandes – Illugraphics).

Впрочем, со столь скоропалительными выводами торопиться не будем. В формулировке закона говорится о невозможности перехода, происходящего спонтанно. То есть – без дополнительного подведения энергии.

А в данном эксперименте некий расход энергии был – световое излучение. Так что за термодинамику можно быть спокойным – она осталась целой и невредимой.

К тому же, реализованный проект даже не очень-то похож на вечный двигатель – как никак, достигнутое соотношение энергии между двумя частями ротаксанов в среднем составляло 7:3, не более. Это, конечно, очень впечатляющее значение для экспериментальной физики, но далёкое от всякой фантастики. Что ж, возрадуемся снова: и на этот раз никаких посягательств на классическую физику не случилось.

При этом интересно, что поведение разработанной системы описывается моделью с демоном Максвелла. Пусть и не со всемогущим, но зато с тем самым, о котором великий физик рассказывал в XIX веке.

http://www.membrana.ru/articles/global/2007/02/02/194200.html