Дослідники з Королівського коледжу Лондона створили найменший двигун у світі з однієї мікрочастинки, меншої за клітину у людському тілі.
Вчені впливали на частинку електричними полями, нагрівши її до 10 млн°C. Це вище за температуру на поверхні Сонця та утричі вище за температуру сонячної корони. У класичній фізиці двигун — будь-який механізм, що перетворює один вид енергії на інший. Однак у менших масштабах все виглядає дещо інакше.
Для створення свого крихітного двигуна дослідники використали пристрій, що називається квадрупольною іонною пасткою або пасткою Пола. Пристрій використовує осциляційні електричні поля для захоплення поодинокої зарядженої мікрочастинки та утримання її в умовах, близьких до вакууму. Установка ізолює частинку від навколишнього середовища.
Науковці подавали на електроди пастки випадкову шумову напругу. Цей шум змушував частинку активно вібрувати. У процесі руху вона виділяла багато тепла. Однак поведінка цього тепла була непередбачуваною. Під час кожного запуску поведінка частинки була випадковою.
Під впливом джерела тепла частинка інколи охолоджувалась замість того, щоб нагріватись. Річ у тім, що у дуже малих масштабах закони термодинаміки працюють інакше. У новій області, що отримала назву стохастичної термодинаміки, у середньому всі закони справедливі, однак іноді спостерігається дійсно дивна поведінка, яка суперечить очікуванням та звичним уявленням. У середньому атом підпорядковується статистичним законам, але у будь-якому заданому інтервалі часу середнього значення немає. Все це флуктуація.
“Двигуни та типи передачі енергії, які в них відбуваються, є мікрокосмом більшого Всесвіту. Вивчення парового двигуна призвело до появи польової термодинаміки, яка, своєю чергою, відкрила деякі фундаментальні закони фізики. Подальше вивчення двигунів у нових режимах відкриває можливості для розширення нашого розуміння Всесвіту та процесів, що визначають його розвиток. Зрозумівши термодинаміку на цьому неінтуїтивному рівні, ми зможемо в майбутньому проєктувати досконаліші двигуни та проводити експерименти, які кинуть виклик нашому розумінню природи”, — пояснює перша авторка дослідження Моллі Мессадж.
Цікаво, що це дослідження пов’язане з ідеєю згортання білків в організмі. Бактерії, віруси та молекулярні структури всередині клітин людського тіла являють окремі механізми. Вони не працюють за передбачуваними середніми значеннями та існують серед постійного теплового шуму.
Незвичайний двигун з мікрочастинки може стати аналогом комп’ютера для моделювання механізму згортання білків. Білки для збереження функціональності мають складатись у точні, складні тривимірні структури. Неправильне згортання провокує такі порушення, як хвороба Альцгеймера та Паркінсона, а також муковісцидоз. Однак передбачення того, як згортатиметься білок, залишається дуже складним завданням.
За останні кілька років компанія DeepMind від Google здійснила прорив, створивши AlphaFold — модель ШІ, яка точно передбачає кінцеву тривимірну форму білка за послідовністю його амінокислот. За це розробники отримали Нобелівську премію з хімії.
Однак у AlphaFold є суттєве обмеження. ШІ демонструє початкову точку (ланцюг) і кінцеву точку (фінальну форму), однак не показує шлях, яким дійшов до цих результатів. Самостійно він не моделює процес згортання. Шлях є ключем до розуміння, у який момент білок згортається неправильно.
Суперкомп’ютерам складно моделювати згортання білка, оскільки їм доводиться розраховувати мільярди атомних рухів у масштабі наносекунд, що потребує астрономічної обчислювальної потужності. Механізм, розроблений дослідниками з Королівського коледжу Лондона, розв’язує проблему, змушуючи крихітну частинку діяти подібно до аналогового комп’ютера.
Замість цифрових обчислень частинка фізично моделює механізм згортання білка. Левітуюча частинка імітує білок, а налаштовані електричні поля та шумова напруга — випадкові теплові сили, які впливають на реальний білок всередині клітини.
“Перевага нашого методу перед традиційними цифровими моделями, такими як AlphaFold, полягає у простоті. Білки згортаються за мілісекунди, а атоми, з яких вони складаються, переміщуються за наносекунди. Через різницю в часі комп’ютеру дуже складно моделювати їх. Просто спостерігаючи за рухом мікрочастинки та розраховуючи на основі цього ряд рівнянь, ми повністю уникаємо цієї проблеми”, — підкреслила Моллі Мессадж.
Результати опубліковані у журналі Physical Review Letters
Джерело: ZME Science
Повідомити про помилку
Текст, який буде надіслано нашим редакторам: