เครื่องยนต์ร้อนสุดในโลก เล็กกว่าเซลล์!

ในทางเทคนิคแล้ว เครื่องยนต์ คืออุปกรณ์ที่แปลงพลังงานรูปแบบหนึ่งไปเป็นพลังงานกล นักฟิสิกส์ได้ใช้ประโยชน์จากกฎเกณฑ์แปลกๆ ของฟิสิกส์ระดับจุลภาคและสร้าง เครื่องยนต์ร้อนสุดในโลก ซึ่งบังเอิญเป็นเครื่องยนต์ที่เล็กที่สุดเท่าที่เคยสร้างมาด้วย

ในงานวิจัยที่กำลังจะตีพิมพ์ใน Physical Review Letters นักวิจัยอธิบายถึงเครื่องยนต์ขนาดเล็กที่อัดแน่นอยู่ภายในอนุภาคขนาดเล็กที่ถูกกักขังไว้ในสนามไฟฟ้า จากการตั้งค่านี้ เครื่องยนต์ดังกล่าวสามารถทำอุณหภูมิได้ถึง 10 ล้านเคลวิน หรือประมาณ 18 ล้านองศาฟาเรนไฮต์ ซึ่งเย็นกว่า แกนกลางของดวงอาทิตย์ (27 ล้านองศาฟาเรนไฮต์) แต่ร้อนกว่าโคโรนา (สูงถึง 3.5 ล้านองศาฟาเรนไฮต์) มาก

Molly Message หัวหน้าทีมวิจัยและนักศึกษาปริญญาเอกที่ King’s College London (KCL) ในสหราชอาณาจักร กล่าวในแถลงการณ์ ว่า “เมื่อเราเข้าใจอุณหพลศาสตร์ในระดับที่ไม่คุ้นเคยนี้ เราสามารถออกแบบเครื่องยนต์ที่ดีขึ้นในอนาคต และทำการทดลองที่ท้าทายความเข้าใจของเราเกี่ยวกับธรรมชาติ”

ในเครื่องยนต์นี้ ขั้วไฟฟ้าจะดักจับและยกอนุภาคขนาดเล็กในสภาพแวดล้อมใกล้สุญญากาศที่เรียกว่า Paul trap เมื่อนักวิจัยใช้แรงดันไฟฟ้าที่มีสัญญาณรบกวนกับขั้วไฟฟ้า อนุภาคจะเริ่มสั่นอย่างรุนแรง ทำให้ระบบโดยรวมมีอุณหภูมิสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว

ผลลัพธ์ที่ได้น่าสนใจอย่างยิ่ง ตามที่นักวิจัยกล่าว เครื่องยนต์ร้อนสุดในโลก มีความผันผวนระหว่างประสิทธิภาพสูงกับการขัดต่อกฎพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์อย่างสิ้นเชิง ในบางรอบการทำงาน พลังงานที่เครื่องยนต์ผลิตได้นั้นเกินกว่าพลังงานที่มันใช้ไป

ในบางครั้ง เครื่องยนต์จะเย็นลงโดยบังเอิญเมื่ออยู่ภายใต้สภาวะที่ควรจะทำให้มันร้อนขึ้น นี่อาจเป็นเพราะมีแรงที่ไม่สามารถมองเห็นได้เข้ามาเกี่ยวข้อง เนื่องจากขนาดที่เล็กมากของระบบ นักวิจัยกล่าว

James Millen ผู้เขียนอาวุโสของการศึกษาและนักฟิสิกส์ที่ KCL อธิบายกับ New Scientist ว่า “เราสามารถเห็นพฤติกรรมทางอุณหพลศาสตร์ที่แปลกประหลาดเหล่านี้ ซึ่งเป็นเรื่องปกติสำหรับแบคทีเรียหรือโปรตีน แต่ไม่ปกติสำหรับก้อนเนื้อขนาดใหญ่อย่างพวกเรา”

เนื่องจาก เครื่องยนต์ร้อนสุดในโลก มีขนาดเล็ก มันอาจจะไม่ได้นำไปใช้ในรถยนต์หรือเครื่องใช้ในบ้านในเร็วๆ นี้ นักวิจัยมองเห็นการใช้งานเชิงทฤษฎีมากกว่าสำหรับโรงไฟฟ้าขนาดเล็กของพวกเขา ตัวอย่างเช่น Paul trap เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการจำลองปรากฏการณ์ระดับจุลภาคอื่นๆ เช่น วิธีที่โปรตีนพับตัวภายในร่างกายของเรา ซึ่งขับเคลื่อนกระบวนการเผาผลาญต่างๆ

Jonathan Pritchett ผู้ร่วมเขียนการศึกษาและนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ KCL กล่าวในแถลงการณ์ว่า “โปรตีนพับตัวในเวลาไม่กี่มิลลิวินาที แต่atoms ที่ประกอบขึ้นเป็นโปรตีนนั้นเคลื่อนที่ในระดับนาโนวินาที ช่วงเวลาที่แตกต่างกันเหล่านี้ทำให้คอมพิวเตอร์สร้างแบบจำลองได้ยากมาก เพียงแค่สังเกตว่าอนุภาคขนาดเล็กเคลื่อนที่อย่างไรและสร้างชุดสมการจากสิ่งนั้น เราก็หลีกเลี่ยงปัญหานี้ได้ทั้งหมด”

เครื่องยนต์ร้อนสุดในโลก

นั่นเป็นเพียงตัวอย่างหนึ่งในหลายๆ ตัวอย่างที่นักวิจัยกล่าว เครื่องยนต์ได้แสดงให้เห็นว่าฟิสิกส์ของโลกในระดับจุลภาคทำงานในรูปแบบที่ลึกลับ ซึ่งอาจต้องใช้เครื่องมือระดับจุลภาคในการแก้ปัญหา

ทำไมเครื่องยนต์ร้อนสุดในโลกถึงมีความสำคัญ

การพัฒนา เครื่องยนต์ร้อนสุดในโลก ไม่ได้เป็นเพียงแค่การสร้างเครื่องจักรที่เล็กและร้อนที่สุดเท่านั้น แต่ยังเป็นการเปิดประตูสู่การทำความเข้าใจโลกในระดับที่เล็กที่สุด การศึกษานี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถจำลองและศึกษาปรากฏการณ์ที่ซับซ้อน เช่น การพับตัวของโปรตีน ซึ่งมีความสำคัญต่อกระบวนการทางชีวภาพต่างๆ ในร่างกายของเรา ด้วยเครื่องมือนี้ เราอาจสามารถพัฒนาวิธีการรักษาโรคใหม่ๆ หรือสร้างวัสดุที่มีคุณสมบัติพิเศษที่ไม่เคยมีมาก่อน

• การจำลองการทำงานของโปรตีน: ช่วยในการพัฒนายาและวิธีการรักษา
• การศึกษาพฤติกรรมของอนุภาคในระดับนาโน: นำไปสู่การพัฒนาวัสดุใหม่ๆ
• การทดสอบกฎของอุณหพลศาสตร์ในสภาวะที่รุนแรง: ขยายความเข้าใจในฟิสิกส์

การวิจัยนี้เน้นย้ำถึงความสำคัญของการสำรวจโลกในระดับที่เล็กที่สุด แม้ว่าเครื่องยนต์นี้อาจไม่ได้ถูกนำมาใช้ในชีวิตประจำวันในเร็วๆ นี้ แต่ความรู้ที่ได้จากการศึกษานี้อาจมีผลกระทบอย่างมากต่อวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในอนาคต

ที่มา – The World’s Hottest Engine Is Smaller Than a Cell and Hotter Than the Sun’s Corona