НОВОСТИ: Молекулярный холодильник

Автор: Галактион Андреев

Два физика-теоретика, Крис Ван ден Брок (Chris Van den Broeck) из университета Хассельта в Бельгии и Райочи Каваи (Ryoichi Kawai) из Алабамского университета в Бирмингеме, сильно озадачили специалистов, предложив удивительную холодильную машину, которая использует хаотическое броуновское движение молекул. Такую машину, по крайней мере в принципе, можно построить с помощью нанотехнологий, и не исключено, что она пригодится для охлаждения наноэлектроники будущего.

В позапрошлом веке великий английский физик Джеймс Клерк Максвелл поставил всех в тупик, предложив простой мысленный эксперимент, который нарушает второе начало термодинамики. Этот фундаментальный закон природы утверждает, что тепло может передаваться только от горячего тела к холодному или что энтропия, мера беспорядка в системе, может только возрастать. Второе начало задает одно направление развития событий во времени и противоречит не менее фундаментальной обратимости законов механики. И это противоречие до сих пор не нашло объяснения.

Чем горячее газ, тем выше средняя скорость хаотического движения его молекул, но все же скорость у всех молекул разная. Максвелл придумал гипотетическое существо, названное позже Демоном Максвелла, которое открывает заслонку в перегородке в баллоне с газом, если сверху к заслонке подлетела быстрая молекула, и закрывает, если молекула летит медленно, и наоборот, если молекула подлетает к заслонке снизу. Так можно быстрые молекулы отделить от медленных, то есть нагреть газ в нижней половине баллона и охладить в верхней, а потом на этом перепаде температур запустить тепловую машину. Таким образом, Демон Максвелла реализует вечный двигатель.

С тех пор несколько поколений ученых пытались доказать, что Демона Максвелла в природе не существует и никакое устройство не сможет выполнить его незамысловатую работу. И сегодня, когда экспериментаторы научились работать с отдельными молекулами, эти попытки начинают приносить плоды.

Ранее учеными был предложен молекулярный мотор, который непосредственно преобразует броуновское движение молекул газа в механическую работу. Мотор в простейшем случае состоит из стержня, пронизывающего перегородку между емкостями с газами, к которому снизу присоединено колесо с плоскими лопатками, а сверху — с клиновидными (см. рис.). Снизу находится горячий газ, а сверху холодный. Горячие молекулы, сталкиваясь с плоскими лопатками, будут толкать колесо в разные стороны случайным образом. Но верхнему колесу с клиновидными лопатками, которые постоянно бомбардируются молекулами холодного газа, в среднем легче поворачиваться в сторону острого конца клина. И после многих соударений колесо начнет крутиться в одну сторону, попутно охлаждая горячий и нагревая холодный газ. Клиновидные лопатки и верхний газ просто играют роль храповика, который задает одно направление вращения колеса в целом. Вот молекулы нижнего газа и вынуждены крутить колесо в этом направлении, стукаясь о плоские лопатки. Броуновские моторы в разных формах уже были реализованы несколькими группами экспериментаторов. Например, в этом году броуновский мотор был сделан в Университете Уми в Швеции с помощью холодных атомов в оптической решетке.

Но тепловая машина, преобразующая разность температур в механическую работу, может работать и в обратном направлении — как тепловой насос или холодильник, если к ней приложить механическую работу. Именно это и предложили теоретики. Если колесо на рисунке принудительно крутить в направлении тупого конца клина, то оно будет охлаждать верхний газ и нагревать нижний. Как именно это происходит, на языке молекулярных столкновений совершенно не очевидно, но холодильный эффект точно предсказывают неумолимые законы термодинамики. Более того, ученые выполнили компьютерное моделирование устройства методами молекулярной динамики, и результаты расчетов точно совпали с теорией. И хотя теоретиков обычно не очень заботит практическая реализуемость их предложений, ученые продумали, как их устройство можно реализовать на молекулярном уровне с помощью мембран и хиральных биологических молекул. А в наномоторах сегодня уже нет недостатка.

Пока броуновский холодильник не слишком эффективен. Но, возможно, его иная реализация будет вполне конкурентоспособна. Ведь наноэлектронике наверняка понадобятся и кулеры соответствующих размеров.