Aprócska gépezetek

Egy aprócska gépezet megépítése sokkal bonyolultabb az alkotórészek méretezésénél. Először is a mikrovilágban alapvetően uralkodó káosz felborítja az összehangolt mozgásokat. De mi történik akkor, ha egy motor képes a rendezettséggel együttműködni, s nem ellene dolgozni? A nemrégen elkészített nanométer nagyságú kerekek ezt a látomást egyre közelebb hozzák a megvalósításhoz.

A szabálytalan molekuláris mozgásokban keresett hasznosítható energia felvetése látszólag csak az újbóli elkövetése Maxwell démonjának hibáinak – egy olyan aprócska, elméleti szerkezet vagy lény, amely megpróbál rendszert vinni a rendszertelenségbe azáltal, hogy mozgások között válogat. A démon egyik megvalósítása az elhunyt Richard Feynamn nevéhez fűződik. Ő egy kilincsművel ellátott fogaskereket kötött össze egy mikroszkopikus propellerrel. Ahogy a folyékony molekulák „kóstolgatják” a propellert, némelyik az óramutató járásával egyező, mások pedig épp ellenkező irányba fogják lökni – ezt a rezgést Brown-féle mozgásként ismerjük –. A pecek azonban, tegyük fel, csak az óramutató járásának megfelelő mozgást tesz lehetővé. Íme, máris rendelkezésünkre áll egy örökmozgó szerkezet: a molekulák nyüzsgése keltette hő állandó, veszteség nélküli, az óramutató járásával egyezőirányú mozgássá alakul. (Feynaman azt javasolta, hogy bolhák megemelésére hasznosítsák az így keletkezett energiát.)

Azonban eddig egyetlen démon vagy halandó sem szállhatott szembe a termodinamika második törvényével, s kerülhetett ki győztesen az összecsapásból. A törvény – a fizika egyik legkörmönfontabb szabálya – szerint, a rendszerben növekvő rendért – ahogy az az egy irányba mozgó keréknél látható –, a démonban egyre csökkenő renddel kell fizetni. A fogaskerék esetében a pecek jelenti a gyenge pontot. Feynman érvelése szerint, a kilincsművet magát is érik hőrezgések. Ezek közül néhány felnyomhatja a rugót, s a pecek kiugorhat a helyéről. Mivel a kerék fogai ferdék, a legapróbb rezgéstől is ellenkező irányba fordulhat, míg egy nagyobb – s kevésbé valószínű) zökkenés ismét az óramutatónak megfelelő irányba mozgatja. Ezért amikor a pecek ismét helyére kerül, a kerék valószínűleg a nem kívánt irányba mozdult el. Eközben, ahogy a racsni újra bekap, a propeller hirtelen megugrásától a hő visszavándorol a folyadékba. Az eredmény: sem a kerék nem mozdul előre, sem hő elvonás nem történik.

1997-ben a Bostoni Főiskoláról T. Ross Kelly, José Pérez Sestelo és Imanol Tellitu előállította az első molekuláris racsnit. A propeller három lapáttal rendelkezik – mindegyik egy-egy benzolgyűrű, amelyek a kerék fogait is adják. Négy benzolgyűrűből álló sor – a rögzítő kampó – két lapát között foglal helyet, s a propeller ennek ellökése nélkül nem foroghat. A megszakító pecek csavart alakja miatt, ez a mozgás könnyebben végrehajtható az óramutató járásának megfelelő irányban. Egy másik minipropeller esetében, amit az IBM zürichi laboratóriumában James K. Gimzewski és munkatársai fejlesztettek ki, ezt az aszimmetriát a szomszédos molekulák elrendezésével érték el. A kutatók szeme előtt azonban a kerekek, Feynman jóslatát beváltva, mindkét irányba forognak.

E látszólagos kudarc ellenére, az alapötlet az elméleti szakemberek számára már egy teljesen újfajta motor megalkotásának lehetőségét hordozza. A rotor közvetlen meghajtása helyett, azt hagynák ugrándozni, és a racsnira fordítanák az energiát. Képzeljük el, például, hogy apró csipeszeket használunk adott időközönként a mikroszkopikus racsni kiengedéséhez, és újra megfogásához. Ekkor az óramutató járásával ellentétes együttes mozgást hozunk létre. A második törvény sértetlen marad, mert a csipeszeknek energiára van szükségük ahhoz, hogy a kallantyút visszanyomják a helyére. Miközben ezt teszik, hőt juttatnak vissza a folyadékba. A gyakorlatban a racsni lehet egy aszimmetrikus elektromos mező, amit fénysugarakkal vagy kémiai reakciókkal ki- és bekapcsolnak. A hagyományos motorokkal szemben, itt szükségtelen a mozgó részeket összehangolni, vagy egy irányba ható, együttes erőt kifejteni.

A kutatók egyre inkább belátják, hogy a természet odavan a Brown-féle motorokért. Az ionpumpák esetében, amelyek töltéssel rendelkező részecskéket nyomnak át a sejtfalon, a racsnit egy fehérje alkothatja, amelynek belső elektromos terét ATP-vel – a sejtek üzemanyaga – való kölcsönhatások kapcsolják ki-be. Az anyag mozgása a sejtek mikro-csövecskéiben, a baktériumok ostorának verdesése, az izomrostok összehúzódása, és az RNS átírása szintén a Brown-féle mozgást hasznosítja.

Ahhoz, hogy Kelly rotorjából motor lehessen, a tudós most kiegészítő atomokat próbál a propeller lapátjaihoz fűzni, hogy ezek kémiai reakciók révén a racsnit a körben megfelelő helyre jutassák. Eközben Gimzewski egy letapogató csőmikroszkópot használ, hogy ezzel adagolja az elektromos áramot. Mivel a belső súrlódás elhanyagolható, ezek a motorok akár 100%-os hatékonysággal is működhetnek. Sajnos ez korántsem olyan tökéletes, mint amilyennek hangzik: a folyadékban keletkező külső súrlódás felemészti a teljesítményt.

Egy lehetséges alkalmazása a szerkezetnek a finom rostálás, mivel a különböző méretű részecskékre eltérő mértékben hat a Brown-féle mozgás. Elméletben a rendszer akár állandó részecske folyamot is képes megszűrni, míg a jelenleg használt módszerekkel, például a centrifugák, vagy az elektroforézis, csak különálló egységeket tudnak kezelni. Nano-villásemelők is elképzelhetők: egy részecske – a villásemelő – előre szökdécsel, beleütközik a kívánt molekulába, és megkapaszkodik benne. Ez a páros, a nagyobb méretéből következően, másfajta erőhatásoknak van kitéve, és visszafelé lökődik. A Brown-féle mozgás akár számítógépek alapjául is szolgálhat, ahogy azt 1980-ban az IBM-től Charles H. Bennett ki is fejtette. Egy ilyen gépben a remegés segítené a jelek továbbhaladását – ezzel csökkenne az áramfogyasztás és a hőtermelés. A Brown-féle motorok újabb példáját nyújtják, annak a folyamatnak, amely során a kutatók és mérnökök a zajt inkább barátként, semmint ellenségként üdvözlik.

MINDEN VÉLEMÉNY SZÁMÍT!

Email cím (nem tesszük közzé) A kötelezően kitöltendő mezőket * karakterrel jelöljük

A következő HTML tag-ek és tulajdonságok használata engedélyezett: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>