Forskere udvikler en ny variant af Maxwells demon på nanoskala

Maxwells dæmon er en maskine foreslået af James Clerk Maxwell i 1867. Den hypotetiske maskine ville bruge termiske udsving til at opnå energi, tilsyneladende overtræder det andet princip i termodynamik. Nu, forskere ved universitetet i Barcelona har præsenteret den første teoretiske og eksperimentelle løsning af en kontinuerlig version af Maxwells dæmon i et enkelt molekylsystem. Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik , have applikationer på andre områder, såsom biologiske og kvante systemer.

"På trods af sin enkelhed og det store arbejde i feltet, denne nye variant af den klassiske Maxwell -dæmon har været uudforsket indtil nu, "bemærker Fèlix Ritort, professor fra Institut for Grundlæggende Fysik i UB. "I dette studie, Vi introducerede et system, der kunne udtrække store mængder arbejde vilkårligt pr. cyklus gennem gentagne målinger af et systems tilstand. "

At finde det gunstige øjeblik

At vente på en så fordelagtig lejlighed til at få fordele er det samme adfærdsmønster som en spekulant, der venter på det rigtige øjeblik på børsen, eller et rovdyr, der venter på, at et bytte kommer nær. "Ud fra et termodynamisk synspunkt, at et bestemt intuitivt aspekt i forsøget på at lede efter det rigtige øjeblik er det, der kræver mere energi. Svaret er, om det er muligt at få den samme energi fra det fordelagtige øjeblik end den omvendte i søgeprocessen, dvs. gennem en termodynamisk reversibel proces, "bemærker Marco Ribezzi, forsker ved UB og School of Industrial Physics and Chemistry (ESPCI Paris/CNRS).

"Vores eksperimenter viser, at det er muligt at finde det rigtige øjeblik, og ikke særlig almindelig på samme tid, og at bruge det på en reversibel måde. Disse resultater viser den underliggende termodynamiske struktur til et generelt problem, der kan finde mange anvendelser, for eksempel, inden for biologi, "bemærker Ribezzi.

Ifølge forskerne, den nye version af Maxwells dæmon kan have konsekvenser i selvorganisering og udvælgelsesprocesser, der opstår under biologisk udvikling. For eksempel, denne enhed kan være relevant i reguleringen af ​​biologiske netværk i generation, transmission og transduktion af signaler gennem cellemembraner.

Den eksperimentelle test er blevet udført i et system med optisk pincet, som muliggør manipulation af et molekyle hver gang, i dette tilfælde et DNA -molekyle. Med den rette kraft på denne struktur, det er muligt at folde det ud, men hvis kraften er lille nok, den udfoldede tilstand bliver sjælden, så den finder det præcise øjeblik, den ledte efter. Når molekylet er i en sjælden tilstand, den har mere energi, og det er muligt at bruge den. "Jo sjældnere episoden er, jo sværere for os at finde det, men jo mere energi vi kan få fra det, "bemærker Ribezzi.

"Den forbløffende kompleksitet af det levende stof kunne ses som resultatet, over flere evolutionære tidsskalaer, af en stor proces med energiudvinding i ordentlige miljøer for at gemme store mængder information, der er skjult af støj og tilfældighed, "slutter Ritort, også medlem af Bioengineering, Biomaterialer og nanomedicin Networking Biomedical Research Center (CIBER-BBN).