Que se passe-t-il lorsqu'on construit un moteur thermique plus petit qu'un globule rouge et qu'on le fait fonctionner à la température du cœur du Soleil ? En théorie, cela devrait fonctionner. En pratique, des fluctuations aléatoires devraient tout faire dérailler. La thermodynamique classique ne s'applique qu'« en moyenne » à l'échelle microscopique : pendant de brefs instants, l'énergie peut se dissiper là où elle ne le devrait pas, le rendement peut dépasser 100 % et les lois de la thermodynamique peuvent sembler enfreintes. Des physiciens britanniques ont démontré qu'il est possible de construire un moteur Stirling microscopique. travaillant à 13 millions de kelvins (10 millions de °C ou 18 millions de °F). Cela ne produit pas de travail utile, mais cela nous apprend quelque chose de précieux sur la physique qui régit le mouvement des molécules dans notre corps.
La particule qui devient un moteur
L'équipe du King's College de Londres guidé par Message de Molly en a pris un particule de silice de 4,82 micromètres d'un diamètre (une fraction de l'épaisseur d'un cheveu) et l'a suspendu dans un piège de champs électriques. La particule peut osciller légèrement, mais elle ne peut pas s'échapper. Ensuite, ils ont postulé. bruit électrique simulant des températures allant jusqu'à 13 millions de kelvinsLa température est bien supérieure aux 5 800 kelvins de la surface du Soleil et proche des 15 millions de kelvins de son noyau. Il ne s'agit pas d'une température physique réelle : le bruit électrique provoque l'oscillation de la particule exactement comme si elle se trouvait réellement dans ces conditions. L'environnement extérieur reste environ cent fois plus froid, créant un contraste thermique impossible à obtenir dans un moteur Stirling classique.
Le moteur Stirling traditionnel fonctionne en chauffant et en refroidissant un gaz confiné qui se dilate et se contracte de façon cyclique, convertissant ainsi la chaleur en énergie mécanique. Le moteur Stirling microscopique remplace le gaz par une particule unique oscillant dans l'eau. Au lieu d'un piston, un laser focalisé contrôle le mouvement. Au lieu d'une flamme, un autre laser chauffe l'eau environnante. L'étude publiée dans Nature Physics Il a fait fonctionner le système pendant 700 à 1 400 cycles pour étudier son comportement.
Lorsque l'efficacité dépasse 100%
Les chercheurs ont observé d'énormes fluctuations dans les échanges de chaleur et de brèves périodes où la particule semblait produire plus de travail qu'elle ne consommait de chaleur, atteignant temporairement une efficacité supérieure à 100 pour centC'est comme si quelqu'un travaillait trois fois plus que d'habitude pendant cinq minutes, puis ralentissait, et qu'à la fin de la journée, il avait accompli exactement ce qu'il devait faire. C'est simplement le résultat du hasard et des gigantesques fluctuations de chaleur et d'énergie à des échelles aussi infimes. Ce n'est pas inattendu. La deuxième loi de la thermodynamique à l'échelle microscopique ne s'applique qu'aux moyennes : il peut y avoir des moments qui semblent la transgresser, mais lorsqu'on fait la moyenne de tout, le système se comporte comme il se doit.
Parce que ça compte vraiment
Le plus intéressant n'est pas le moteur en lui-même, mais le fait que la particule ne se déplace pas aléatoirement dans le piège, comme on pourrait s'y attendre en cas de diffusion dans un environnement uniforme. son mouvement dépend de l'endroit où il se trouveLorsque la température et la consistance d'un milieu changent, la façon dont les particules se déplacent dans ce milieu change également. C'est ce qu'on appelle diffusion dépendante de la position.
Ceci est important dans les systèmes biologiques, où les particules interagissent avec les membranes, les fluides et les tissus. Le dispositif mis au point par l'équipe pourrait permettre d'étudier des phénomènes tels que le transport des médicaments dans l'organisme. Comme l'explique Message :
« Cette plateforme expérimentale présente un grand potentiel pour simuler et explorer non seulement les hautes températures, mais aussi… » le scénario thermodynamique biologiquement pertinent de la diffusion dépendante de la position. Ceci est fondamental pour comprendre, par exemple, le repliement des protéines et le transport de masse dans les contextes biologiques.
L'équipe espère désormais pousser son moteur Stirling microscopique encore plus loin de l'équilibre, explorant la physique étrange et fluctuante qui régit le mouvement et l'énergie aux plus petites échelles. Il ne s'agit pas de produire de l'énergie, mais de comprendre comment la matière fonctionne réellement lorsque les dimensions deviennent si petites que… Le chaos quantique commence à dominer.
Un moteur qui enfreint temporairement les lois de la physique n'est pas un paradoxe. C'est simplement un rappel que ces lois n'ont de sens qu'à force de les observer. À l'échelle microscopique, pendant de brefs instants, tout peut arriver. Puis la moyenne se réinitialise et le monde revient à ce que nous connaissons.
C'est un peu comme la vie : chaotique à court terme, prévisible à long terme. Ici seulement, le long terme se mesure en secondes.
