Испанские ученые впервые экспериментально продемонстрировали тепловую машину Карно величиной в одну броуновскую частицу. Разработанный ими микромотор выдал мощность в 250 раз больше по сравнению с предыдущими аналогами и всего в 10 раз меньше, чем у молекулярных биомоторов. Результаты их работы изложены в статье, опубликованной в журнале Nature Physics.

Флуктуация КПД машины (горизонтальная ось) в зависимости от количества циклов (вертикальная ось). Видно, что в некоторых циклах эффективность может превышать 100 процентов.Изображение: I. A. Martínez and al, Nature Physics, 2015

Тепловые машины — это устройства, преобразующие тепло в полезную работу. Наиболее известными примерами таких машин могут служить паровые двигатели, а также бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания. В общих чертах работа тепловых машин может быть описана как циклическое повторение одних и тех же действий, производимых с неким рабочим телом (обычно газом), который то расширяется, то сжимается при разных температурах.

Еще в XIX веке французский ученый Сади Карно доказал, что для тепловых двигателей при заданных максимальной и минимальной температуре рабочего тела существует теоретический максимум КПД, то есть предел эффективности преобразования тепловой энергии в полезную механическую. Этот максимум достигается при использовании идеального рабочего цикла, известного теперь как цикл Карно.

В цикле Карно рабочее тело, имеющее изначально некую невысокую температуру, сначала сжимают внешними силами без изменения температуры, а по достижению определенного объема начинают сжимать адиабатически, то есть без подвода тепла, так что его температура увеличивается. Как только достигается максимальная температура, равная температуре внешнего нагревателя, рабочее тело приводится в контакт с этим нагревателем и начинает расширяться уже без изменения температуры, получая тепло от нагревателя. После того, как достигнут некий объем рабочего тела, его отсоединяют от нагревателя, и оно продолжает расширяться уже без обмена теплом с кем бы то ни было, то есть опять адиабатически, при этом температура тела уменьшается — именно на этом этапе тело совершает полезную работу, тратя на нее полученную на предыдущем этапе тепловую энергию. Как только температура тела достигает первоначальной, весь цикл повторяют заново.

Цикл Карно является идеализированным, поскольку не учитывает всегда существующие потери на трение, а также неидеальность самих процессов сжатия и расширения — так, на практике невозможно абсолютно исключить обмен теплом между рабочим телом и окружающей средой в адиабатических процессах. Из-за этого любой реальный двигатель имеет КПД меньше, чем у цикла Карно.

Однако теоретически максимальную эффективность можно достичь и даже превысить при использовании тепловых машин микроразмеров. Связано это с тем, что чем меньше объект, тем сильнее он подвержен так называемым броуновским флуктуациям — случайным отклонениям его характеристик от средних, связанным с хаотическим тепловым движением частиц окружающей среды. Это приводит к тому, что если такой микродвигатель повторяет один и тот же рабочий цикл много раз, то в среднем он, конечно, будет менее эффективным, чем тепловая машина Карно, но в отдельных циклах условия могут случайным образом сложиться так удачно, что он совершит чуть больше работы, чем обычно, а тепла получит, наоборот, чуть меньше, и таким образом его КПД окажется больше теоретического.

Именно такой броуновский микромотор и был исследован в обсуждаемой работе сотрудниками Института фотонных наук (ICFO), расположенного в Барселоне (Испания). Причем авторам статьи впервые удалось построить такой мотор на основе всего одной коллоидной частицы, удерживаемой оптической ловушкой в растворе воды.

Увеличение и уменьшение температуры частицы (вернее, некой эффективной величины, имеющей смысл, аналогичный температуре, которая на самом деле может быть строго введена только для большого количества частиц) производилось за счет включения и выключения шумоподобного электрического поля. Чтобы это поле оказывало влияние на частицу, на нее помещали небольшой электрический заряд. В результате удавалось достичь температуры в сотни и даже тысячи градусов.

Процессы сжатия и расширения проводились за счет изменения параметров оптической ловушки — уменьшения и увеличения так называемого коэффициента жесткости, отвечающего за ширину ловушки. Главной экспериментальной сложностью было осуществление адиабатических процессов сжатия-расширения. Поскольку полностью исключить обмен теплом между частицей и средой было невозможно, то адиабатичность достигалась за счет синхронного изменения жесткости ловушки и эффективной температуры частицы (путем изменения величины приложенного электрического поля) так, чтобы соотношение между ними соответствовало адиабатическому закону.

В результате экспериментов с построенным микромотором ученым удалось исследовать влияние броуновских флуктуаций на работу тепловой машины Карно. В частности, они показали, что если время одного цикла очень мало — около 10 мс в их условиях — то даже после большого количества циклов броуновская тепловая машина ведет себя совсем не так, как классическая. В частности, она является не машиной, а тепловым насосом — то есть вместо того, чтобы перерабатывать тепло в работу, наоборот, в среднем выделяет больше тепла, чем поглощает от нагревателя. Однако чем длиннее один цикл, тем ближе характеристики микромотора к классическим.

Другим интересным результатом стала демонстрация возможности сильного отклонения КПД броуновской тепловой машины от классического значения, если число совершенных ею циклов невелико. КПД в таком случае может быть даже больше теоретического максимума. В отдельных случаях ученые наблюдали КПД больше КПД цикла Карно при длительности одного цикла 40 миллисекунд и при общем количестве циклов меньше 300.

Продемонстрированный в работе микромотор не является первой реализацией подобной идеи. Однако, по утверждению авторов, им удалось значительно — около 250 раз — увеличить мощность броуновской тепловой машины по сравнению c предыдущими работами. Это всего в 10 раз меньше, чем мощность молекулярных моторов, существующих в живых клетках, например, миозина, являющегося главным компонентом сократительных волокон мышц. Кроме того, впервые с помощью такой системы был достигнут установленный Карно теоретический предел эффективности. Результаты работы, по мнению авторов, представляют не только фундаментальный интерес, но и будут полезны при создании инновационных нанодвигателей или искусственных нанороботов.

Авор: Артём Коржиманов