Selamat datang di dunia termodinamika stokastik, di mana peluang berkuasa dan segala sesuatunya menjadi aneh.
Sebuah tim ilmuwan dari King’s College London (KCL) telah membangun mesin terkecil di dunia. Terdiri dari a partikel tunggal secara mikroskopis, ia lebih kecil dari sel manusia, dan melayang dalam ruang hampa.
Dengan mengguncang partikel ini dengan medan listrik yang “berisik”, tim peneliti berhasil memanaskannya hingga suhu yang mengesankan. 10 juta derajat Celcius —jutaan derajat lebih panas dari permukaan Matahari dan lebih dari tiga kali suhu korona matahari, atmosfer luar bintang kita yang berapi-api.
Meski memecahkan rekor, suhunya mencapai 50%. belajarbaru-baru ini diterima untuk dipublikasikan di jurnal Surat Tinjauan Fisikhanyalah detail yang paling mencolok, kata the Sains ZME. Penemuan sesungguhnya telah tiba fisika yang aneh apa yang terjadi pada skala ini.
Panas dan Acak
Dalam fisika klasik, motor adalah mekanisme apa pun yang mengubah satu bentuk energi menjadi bentuk energi lain. Misalnya, panas ditambahkan dan kerja selesai. Sederhana, elegan dan selalu sesuai aturan termodinamika. Namun dalam skala yang lebih kecil, segalanya menjadi aneh.
Untuk membangun mesin ini, peneliti menggunakan alat yang disebut perangkap ion kuadrupolatau lebih sederhananya, a Perangkap Paulus.
Mesin ini menggunakan medan listrik yang berosilasi untuk menjebak satu mikropartikel bermuatan, membuatnya melayang dalam kondisi hampir vakum. Konfigurasi ini mengisolasi partikel dari lingkungan sekitarnya.
Selanjutnya, tim menerapkan a tegangan acak dan “berisik”. ke elektroda perangkap. “Kebisingan” ini mengguncang partikel dengan kerasmembuatnya bergerak dan menghasilkan panas dalam jumlah besar.
Tetapi, berbeda dengan mesin uapperilakunya tidak dapat diprediksi. Dalam setiap siklus mesin, partikel terkadang berperilaku a “stochastic”, yaitu acak. Ketika terkena sumber panas, partikel tersebut bisa mendingin daripada memanas, sebuah kontradiksi langsung dari apa yang diharapkan.
Berdasarkan semua yang kami pelajari di sekolah tentang fisika klasik, perilaku ini melanggar hukum termodinamika. Namun dalam skala yang sangat kecil, hukum termodinamika tidak berjalan seperti yang biasa kita lakukan.
Di bidang yang sedang berkembang ini, disebut termodinamika stokastikhukum termodinamika rata-rata dihormatinamun terkadang muncul perilaku aneh dan berlawanan dengan intuisi.
Di bidang ini, sebuah atom, rata-rata, mengikuti hukum statistik — tetapi dalam masing-masing siklusnya, tidak ada rata-rata: semuanya “fluktuasi”.
“Mesin dan jenis transfer energi yang terjadi di dalamnya adalah mikrokosmos dari alam semesta yang lebih luas,” katanya Pesan Mollypeneliti di King’s College London dan penulis pertama studi tersebut.
“Studi tentang mesin uap memunculkan termodinamika, yang pada gilirannya mengungkapkan beberapa hukum dasar fisika. Studi lanjutan tentang mesin di rezim baru menawarkan kemungkinan memperluas pemahaman kita tentang alam semesta dan proses yang mendorong perkembangannya”, tambahnya.
“Dengan memahami termodinamika pada tingkat yang tidak intuitif ini, kita dapat merancang mesin yang lebih baik di masa depan dan melakukan eksperimen yang menantang persepsi kita tentang alam”, pesan menyimpulkan.
Menariknya, penyelidikan ini terkait dengan konsep selubung protein.
Sebuah mesin untuk memahami protein
Pengurangan skala ini mungkin tampak tidak berhubungan dengan kenyataan. Tetapi kehidupan itu sendiri Terkadang beroperasi pada skala ini. Bakteri, virus, dan mesin molekuler di dalam sel kita semuanya merupakan mesin partikel tunggal. Mereka tidak bekerja dengan rata-rata yang dapat diprediksi; hidup di tengah kebisingan termal.
Ini menjadi bahkan lebih menarik dari sudut pandang praktiskarena mesin partikel aneh ini dapat berfungsi sebagai “komputer analog” untuk memodelkan pelipatan protein.
Protein adalah mesin kehidupan. Mereka adalah rantai panjang asam amino yang harus “dilipat” menjadi bentuk tiga dimensi yang tepat dan kompleks untuk mencapai konfigurasi dan fungsi akhirnya.
Ketika protein “salah melipat”, dapat berkumpul bersamamenyebabkan penyakit mematikan seperti Alzheimer, Parkinson dan fibrosis kistik. Tantangannya adalah memprediksi bagaimana protein terlipat merupakan salah satu masalah tersulit dalam sains.
Os superkomputer digital menghadapi kesulitan besar dalam mensimulasikan pelipatan protein, karena mereka harus menghitung miliaran pergerakan atom pada skala nanodetik, yang memerlukan daya komputasi astronomis.
Mesin KCL memecahkan masalah ini dengan bekerja seperti “komputer analog”: alih-alih menghitung masalah secara digital, mensimulasikannya secara fisik.
Dalam proses ini, a partikel mengambang mewakili proteinsementara medan listrik yang disetel dan tegangan “berisik” meniru gaya termal acak yang dialami protein asli di dalam sel, sehingga memungkinkan para peneliti untuk mengamati langsung proses pelipatan.
“Kelebihan metode kami dibandingkan model digital konvensional adalah kesederhanaan. Protein terlipat dalam milidetik, namun atom yang menyusunnya bergerak dalam nanodetik,” kata Molly Message.
“Skala waktu yang berbeda ini menyulitkan komputer untuk memodelkannya. Hanya dengan mengamati bagaimana mikropartikel bergerak dan menurunkan serangkaian persamaan dari situ, kita menghindari masalah ini sepenuhnya”, tutupnya.
Seperti mesin uap yang menggerakkan Revolusi Industri dan fisika modern, mesin mikroskopis ini dapat membawa kita ke batas berikutnya — di mana kekacauan bukanlah kesalahan sistem, melainkan sistem itu sendiri.
