Предложена модель нанохолодильника на броуновском движении

Физики-теоретики предложили наноустройство, которое позволит охлаждать микроскопические объекты — к примеру, молекулы. Правда, сами изобретатели признают, что для того чтобы построить спроектированное ими устройство, потребуется впечатляющее мастерство в молекулярной инженерии. Доктор Крис Ван ден Брок (Chris Van den Broeck) из университета Хассельта (Бельгия) и доктор Риоичи Каваи (Ryoichi Kawai) из университета Алабамы уверены, что их идея заставит задуматься специалистов по термодинамике.

Принцип работы предлагаемого наноустройства основан на броуновском движении. Миниатюрный холодильник использует крошечное колесо с лопастями, чтобы ускорить молекулы в одном резервуаре, одновременно забирая энергию из другого. Идея очень близка к известному мысленному эксперименту физика Джеймса Клерка Максвелла: он предложил проект вечного двигателя, который состоял бы из двух сосудов, в одном из которых быстрые молекулы, а в другом медленные. Поддерживать такое разделение молекул должен специальный «демон Максвелла», который бы пропускал в сосуд с быстрыми молекулами только быстрые молекулы и выпускал бы медленные.

Идея д-ров Ван ден Брока и Каваи существенно отличается от всех предлагавшихся ранее способов построения двигателей из двух сосудов с газами разной температуры. В основе конструкции таких устройств — вертикальная ось, соединяющая два колеса с лопастями. Нижнее — с прямыми, верхнее — с лопастями клиновидной формы, колеса расположены в разных резервуарах, разделенных изолирующим барьером. Если нижний сосуд очень горячий, а верхний — холодный, то лопасти колеса в нижнем сосуде будут подвергаться большому количеству ударов быстродвижущихся молекул. Когда колесо будет вращаться против часовой стрелки, верхнее колесо будет «врезаться» в молекулы своим тупым концом, что должно затормозить вращение. Но при вращении по часовой стрелке, верхнее колесо будет «разрезать» вещество в сосуде своим острым концом, встречая меньшее сопротивление. В итоге, «чистым» направлением вращения колес станет направление по часовой стрелке.

Ученые предложили «перевернуть» эту логичную модель — в этом случае все начинается с равной температуры в обоих сосудах. Затем колеса начинают вращаться против часовой стрелки. Первый принцип термодинамики утверждает, что система будет противиться этому движению, что приведет к нагреванию нижнего сосуда и остыванию верхнего.

Дмитрий Ткачев, Curator: Пришло время считать деньги, потраченные на защиту от взлома Безопасность

Хотя математически все выглядит верным, на самом деле непонятно, как себя должны вести молекулы, чтобы вещество в верхнем сосуде охладилось. «Если бы это было так легко понять, это давно бы придумали, — считает д-р Ван ден Брок. — Вы не можете это объяснить на пальцах — тут требуется статистический подход».

#gallery#

Коллеги авторов модели считают, что охлаждающий эффект продлится всего несколько мгновений. Тем не менее, как считаются ученые, это новая идея и новый механизм, доселе не предлагавшийся. Создание работающего «холодильника» на этом принципе потребует решения многих проблем, однако эта задача не выходит за пределы возможного, полагает д-р Ван ден Брок. «Мне нравится подход теоретиков, — комментирует шведский ученый Андерс Кастберг (Anders Kastberg) из университета Умеи (Umea University). — Им не надо беспокоиться о том, как все будет работать в реальности».