Brownske motorer og livets oprindelse - er der en sammenhæng?

Fysikere har realiseret et 98 år gammelt tankeeksperiment, der får nyttigt arbejde ud af tilfældige sammenstød af molekyler. Det kan måske bruges som energikilde inden for nanoteknologien – og måske også hjælpe til med at forstå livets opståen.

Læs hele artiklen på ing.dk

En af de største udfordringer for nanoteknologien er at bygge en mikroskopisk autonom motor, som kan bevæge sig retningsbestemt og udføre arbejde, selv om den bombarderes af partikler fra alle sider. Det bevægelige liv på Jorden har for eksempel også kun kunnet opstå, fordi dets første byggeklodser i løbet af millioner af år har lært at dirigere det tilfældige virvar af molekyler i væsker og gasser i retning af nyttigt arbejde for sig selv.

En af fysikernes ældste kandidater til at gøre det molekylære virvar nyttigt er de såkaldte brownske motorer, eller på engelsk 'Brownian Ratchets'. De var oprindeligt formuleret som et tankeeksperiment af den polske fysiker Marian Smoluchowski, som sideløbende med Albert Einstein grundlagde teorien om de brownske bevægelser, og dermed bidrog til den generelle accept af den moderne atomteori.

Hvis man kunne bygge en lille maskine til at udnytte bevægelsesenergien i en gas, tænkte Smoluchowski i 1912, ville den skulle se ud som en mikroskopisk mølle.
Et tandhjul med en skralde kunne sørge for, at vingerne kun drejer i én retning. På den måde ville man kunne høste nyttig energi ud af den storm af partikler, der ubønhørligt bevæger sig hid og did i en væske eller i en gas.

Sådanne brownske motorer ligner evighedsmaskiner, men er det ikke. Den amerikanske fysiker og Nobelprismodtager Richard Feynman illustrerede da også i en af sine berømte forelæsninger fra 1963, at termodynamikkens anden hovedsætning forbyder brownske motorer at ekstrahere energi fra en gas i termodynamisk ligevægt. Systemer langt fra en termodynamisk ligevægt har dog ikke den begrænsning, og en gruppe fysikere fra universitetet i Twente i Holland og universitetet i Patras, Grækenland, har derfor nu udviklet den første kopi af Smoluchowskis brownske motor i stor skala.

Granulær gas
»I dag er det ikke nogen overraskelse længere, at man kan ekstrahere arbejde eller retningsbestemt bevægelse ud af et system, der ikke er i termodynamisk ligevægt,« siger medforfatter Devaraj van der Meer i en kommentar til Ingeniøren.

»Men inden for fysikken er ideen om en brownsk motor, hvor termisk støj høstes og omdannes til arbejde, først blevet et aktivt forskningsfelt i løbet af de sidste 10-20 år.«

Van der Meer og hans kolleger viser i deres nye artikel i Physical Review Letters, hvordan en sådan maskine kan se ud. Den består af en beholder fyldt med 'granulær gas' - i dette tilfælde små kugler - der rystes og hvirvles rundt ved hjælp af en bevægelig plade. Den eneste forskel i forhold til en molekylær gas er her, at hvis man holder op med at ryste beholderen, vil partiklerne hurtigt falde til ro på bunden, fordi de taber energi hver gang de kolliderer med hinanden. En konstant tilførsel af energi udefra via stærke rystebevægelser er derfor nødvendig for at simulere en granulær gastilstand langt fra en termodynamisk ligevægt.

Møllen i beholderen sættes i bevægelse på grund af bombardementet af molekyler. Den ene side af møllens vinger er belagt med tape, mens den anden er af metal, hvilket bevirker at kollisionerne på den bløde side er mere elastiske end kollisionerne på metal-siden. På den måde sker der et symmetribrud, og møllen kører primært i den retning som metalsiden rammes. Sammenlignet med tidligere realiseringer af Smoluchowskis motor er denne meget tæt på det originale design, og den viser, at der opstår konvektionsstrømme omkring møllen, som eventuelt vil kunne udnyttes endnu bedre i fremtidige designs af mikroskopiske nanomotorer i rigtige gasser.

Entropien skal maksimeres
De hollandske og græske fysikeres efterligning af Smoluchowskis tankeeksperiment fra 1912 kan ud fra nutidens perspektiv måske virke en smule banalt. De bygger en asymmetrisk mølle og sætter den ind i en hvirvelstorm af partikler. Men man skal huske på, at det har været en idéhistorisk lang proces at forstå, hvordan selvorganiserede systemer faktisk kan opstå og holdes stabile på mikroskopisk niveau.

Årsagen er at finde i den klassiske termodynamik, som nedlagde et (kun lidt overdrevent formuleret) 'tankeforbud' mod stabil selvorganisering ved at formulere den anden hovedsætning så definitivt: 'Die Entropie des Universums strebt einem Maximum zu' - universets entropi tilstræber et maksimum - skrev Rudolf Clausius dystert i 1865, og i de næste 100 år føltes det dermed som næsten bevist, at alt det selvorganiserede, levende og smukke i denne verden var prædetermineret til at skvulpe døden i møde.

Da amerikaneren William C. Bray i 1921 således så mønstre i sine kemiske reaktioner, blev de affærdiget med, at de ikke var mulige. Ikke bedre gik det russeren Boris Belousov, da han i 1951 forsøgte at offentliggøre sine eksperimenter, som viste stabilt oscillerende mønstre i en kemisk reaktion med cerium-ioner. Først da englænderen Alan Turing i 1952 og senere belgieren Ilya Prigogine med matematiske analyser viste, at mønsterdannelse og retningsbestemt bevægelse er forenelig med loven om entropitilvækst (så længe man er langt væk fra en termodynamisk ligevægt), kom forskningen i komplekse systemer for alvor i gang.

Kvantemekaniske muligheder
Brownske ratchets vil kunne være et vigtigt skridt i retning af fremtidige mikroskopiske motorer, der kan bevæge sig selvstændigt i en nanoverden. To-dimensionelle ratchets åbner ifølge Franco Nori fra University of Michigan også muligheden for ny trådløs elektronik ved at designe specielle energipotientialer, der i kombination med termisk støj eller kvantestøj kan fungere som linser for elektroner - lidt ligesom optiske linser gør det med fotoner.

En kvantemekanisk anvendelse af brownske ratchets kunne bestå i at lede elektroner i en bestemt retning uden brug af præproducerede baner af kobber eller silicium. Kvante-ratchets kunne ifølge Peter Hänggi fra universitetet i Augsburg i Tyskland også bruges til at udvikle nye former for pumper, molekylære kontakter og transistorer, der alle sammen udnytter det tilfældige virvar af molekyler, der støder ind i dem.

Og det hele startede med en skotsk botaniker ved navn Robert Brown, der i 1827 kiggede på nogle blomsterpollen, som han havde drysset hen over en vandoverflade. Hvad han fik ud af det førte til Einsteins og Smoluchowskis teori om brownske bevægelser, og det morsomme ved den historie er, at mange andre forskere før ham havde set pollen danse på en væskeoverflade under et mikroskop, men de troede alle sammen, at bevægelsen skyldtes organisk materiale - at de altså så selve livet i aktion.

Brown viste, at også støv og andre døde partikler gjorde det samme, og at bevægelsen derfor måtte have en fysisk - ikke en biologisk - årsag.

På den måde er ringen ved at blive lukket igen: Hvis det første molekylære liv på kloden vitterlig lærte at udnytte molekylære sammenstød til egen fordel ved at undslippe den døde suppe og vandre af sted ved egen kraft, så må man sige at de brownske bevægelser måske ikke skyldes livets eksistens, men til gengæld er skyld i, at livet i det hele taget eksisterer.

0 comments:

There was an error in this gadget