Güneş'in iç çekirdeğine yaklaşan sıcaklıklarda çalışan, atom boyutunda bir motor, termodinamiğin en uç noktalarını anlamak için yepyeni bir kapı aralıyor. Bilim insanları, tek bir silika parçasını vakumda havada tutarak ve bunu 10 milyon Kelvin'in (10 milyon santigrat derece) üzerindeki sentetik sıcaklıklara maruz bırakarak mikroskobik bir Stirling ısı motoru geliştirdi. Bu motor, minik makineleri çalıştırmak için değil, ısı ve enerji fiziğini daha derinlemesine kavramak amacıyla tasarlandı.
Bu gelişme aynı zamanda vücudumuzda gerçekleşen karmaşık mikroskobik süreçlere dair de önemli bilgiler sunuyor. Araştırmacılara göre, bu deneysel platform sadece yüksek sıcaklıkları değil, aynı zamanda konuma bağlı difüzyonun biyolojik açıdan ilgili termodinamik senaryolarını da simüle etme ve inceleme potansiyeli taşıyor. Konuma bağlı difüzyon, örneğin protein katlanması ve biyolojik ortamlardaki kütle taşınımını anlamak için kritik öneme sahip.
Bir Stirling motoru, kapalı bir gaz veya sıvıyı ısıtıp soğutarak çalışır. Bu sayede gaz veya sıvı genleşip büzülerek tekrarlayan bir döngüye girer ve ısıyı mekanik enerjiye dönüştürür. Mikroskobik bir Stirling motoru ise aynı prensiplere dayanan, ancak mikrometre ölçeğinde çalışan minyatür bir benzeridir.
Araştırmacılar, motorlarını insan saçının çapından çok daha küçük, sadece 4.82 mikrometre çapında küresel bir silika parçacığı etrafında inşa ettiler. Bu parçacık, elektrik alanlarından oluşan bir tuzakla havada asılı tutuldu. Ardından, parçacığa uygulanan elektrik gürültüsüyle 13 milyon Kelvin'e kadar etkili (fiziksel değil) sıcaklıklar simüle edildi. Bu sıcaklıklar, Güneş'in yüzey sıcaklığından (yaklaşık 5.800 K) çok daha yüksek ve çekirdek sıcaklığına (yaklaşık 15 milyon K) yakındır.
Bu etkili sıcaklıklar, sistemdeki elektrik gürültüsünün silika parçacığının 13 milyon Kelvin sıcaklık koşullarındaymış gibi titreşmesine neden olmasıyla elde edildi. Parçacığın etrafındaki 'soğuk' ortam ise yaklaşık 100 kat daha düşüktü. Bu sıcaklık farkı, gerçek bir Stirling motorunda elde edilmesi zor bir kontrast oluşturarak, tam ölçekte mümkün olmayan termodinamik bir inceleme olanağı sağladı.
Bunun temel nedeni, termodinamiğin ikinci yasasının mikroskobik ölçekte yalnızca ortalamalara uygulanabilmesidir. Bu nedenle, büyük dalgalanmalar veya yüzde 100'ün üzerinde verimlilik gibi yasayı çiğniyor gibi görünen anlar olsa da, her şey ortalamaya alındığında sistem beklendiği gibi davranır.
Araştırmacılar, sistemlerini önce parçacığı 'ısıtmak' için gürültü uygulayarak çalıştırdılar. Ardından, parçacığın daha fazla titreşmesine izin vermek için elektrik tuzağını ayarladılar; bu Stirling döngüsünün genleşme aşamasıydı. Sonrasında, büzülme aşaması için gürültü kapatıldı ve parçacığın 'soğumasına' izin verildi, ardından tuzak tekrar ayarlanarak titreşim azaltıldı.
Bilim insanları, sistemin davranışını ayrıntılı olarak incelemek için her deneyi 700 ila 1.400 döngü arasında gerçekleştirdiler. Isı alışverişinde büyük dalgalanmalar ve parçacığın tükettiği ısıdan daha fazla iş üretiyor gibi göründüğü kısa periyotlar tespit ettiler. Bu durum, kısa vadeli rastgelelik ve küçük ölçeklerdeki ısı ve enerji dalgalanmalarının doğal bir sonucudur.
Daha da ilginç olanı, parçacığın tuzakta rastgele titreşmemesiydi. Titreşimleri, tuzağın neresinde olduğuna bağlıydı. Bir ortamın sıcaklığı ve tutarlılığı değiştiğinde, parçacıkların bu ortamda nasıl hareket ettiği de değişir; bu olguya konuma bağlı difüzyon denir.
Bu durum, parçacıkların zarlar, sıvılar ve dokularla etkileşime girdiği biyolojik sistemlerde önemlidir. Bu nedenle, araştırmacıların geliştirdiği platform, vücutta ilaç taşınımı gibi sorunları incelemek için bir yol sunabilir.
Ekip şimdi mikroskobik Stirling motorlarını denge durumundan daha da uzaklaştırmayı ve en küçük ölçeklerde hareketi ve enerjiyi yöneten tuhaf, dalgalanan fiziği keşfetmeyi umuyor. Bu çığır açıcı araştırma, Physical Review Letters dergisinde yayımlandı.
