Jeden z najmniejszych silników świata pracuje w temperaturze Słońca

W laboratorium King’s College London powstał najgorętszy silnik świata, choć jego sercem jest kulka szkła, która wcale nie jest gorąca. W kontrolowanym polu elektrycznym porusza się tak gwałtownie, jakby znajdowała się w gazie o temperaturze 13 mln stopni Celsjusza

Badacze z King’s College London zbudowali mikrosilnik z unoszącej się w powietrzu szklanej kulki o średnicy zaledwie pięciu mikrometrów. W kontrolowanym polu elektrycznym porusza się tak gwałtownie, jak gdyby była zanurzona w gazie o temperaturze około 13 mln stopni Celsjusza. To jednak nie znaczy, że naprawdę jest gorąca. Chodzi o tzw. temperaturę efektywną, która opisuje energię ruchu obiektu jako całości. 

„Porusza się tak, jakby włożyło się ją do gazu o takiej temperaturze. Rusza się jak szalona” – mówi fizyk James Millen z King’s College London, współautor pracy, która trafiła do Physical Review Letters. W rozmowie z Science News dodaje: „Termodynamika w mikroskali jest naprawdę, naprawdę dziwna. Uważam, że jest równie nieintuicyjna jak mechanika kwantowa”.

Kulka nie nagrzewa się jak czajnik – jej materiał pozostaje chłodny. „Temperatura” dotyczy wyłącznie tego, jak szybko i jak daleko się przemieszcza pod wpływem bodźca. Ten rodzaj precyzyjnej kontroli nad ruchem pojedynczego obiektu pozwala w bezpieczny sposób badać granice działania mikrosilników.

Miniaturowy silnik o ogromnej różnicy temperatur

Naukowcy uwięzili kulkę krzemionki w tzw. pułapce Paula – układzie metalowych elektrod tworzących zmienne pole elektryczne. Działa ono niczym trójwymiarowa sprężyna: utrzymuje kulkę w zawieszeniu i umożliwia jej sterowanie bez fizycznego kontaktu.

Eksperyment prowadzono w niemal całkowitej próżni – powietrze w komorze było ponad 10 miliardów razy rzadsze niż na powierzchni Ziemi. Dzięki temu kulka mogła poruszać się swobodnie, bez zakłóceń ze strony cząsteczek gazu.

Aby „rozgrzać” układ, badacze podawali na elektrody szybko zmieniające się, losowe napięcie. Wprawiało ono kulkę w gwałtowne drgania, jakby znajdowała się w ekstremalnie gorącym środowisku. W rzeczywistości materiał pozostawał chłodny – zmieniała się jedynie energia ruchu całego obiektu.

Cykl pracy mikrosilnika przypominał cykl Stirlinga, znany z klasycznych silników cieplnych. Naukowcy na przemian rozluźniali i zacieśniali „sprężynę” pola elektrycznego oraz włączali i wyłączali wspomniany sygnał losowy, który działał jak źródło ciepła. Rolę chłodzenia pełnił rozrzedzony gaz w komorze.

W stanie „zimnym” kulka osiągała temperaturę efektywną około 34 tys. kelwinów, a w stanie „gorącym” – ponad 10 mln kelwinów.

Różnica między częścią „gorącą” a „zimną” jest kluczowa dla działania każdego silnika cieplnego: im większa, tym więcej energii można zamienić w ruch. W londyńskim eksperymencie była ona wyjątkowo duża – gorąca część była około 110 razy gorętsza niż zimna, podczas gdy w typowych silnikach przemysłowych ten stosunek nie przekracza 3.

Dzięki temu mikrosilnik chwilami osiągał niezwykle wysoką sprawność – potrafił zamienić znaczną część dostarczonej energii w ruch. W najlepszych cyklach wynosiła ona około 9–10 proc., czyli znacznie więcej niż w innych mikrosilnikach (zazwyczaj poniżej 1 proc.), choć wciąż mniej niż w dużych silnikach samochodowych, których sprawność sięga 30–40 proc.

Dlaczego to ma znaczenie

Choć ta szklana kulka nie napędza żadnej maszyny, pozwala lepiej zrozumieć, jak działają silniki w mikroskali – tam, gdzie przypadek i chaotyczne drgania odgrywają większą rolę niż prawa znane z dużych urządzeń.

Choć fizyka tu jest inna, badacze liczą, że dzięki takim eksperymentom łatwiej będzie opisać zjawiska znane z biologii, np. działanie białek transportowych w środowisku pełnym drgań cieplnych.

Badacze planują teraz sprawdzić, jak mikrosilnik zachowuje się w bardziej złożonych warunkach – gdy otoczenie reaguje z opóźnieniem lub „pamięta” wcześniejsze stany. Chcą też symulować procesy podobne do tych, które zachodzą w żywych komórkach, na przykład zwijanie białek czy transport cząsteczek.

W przyszłości podobne układy mogą posłużyć jako modele dla mikromaszyn i nanotechnologii – tam, gdzie fizyka staje się równie zaskakująca, co w świecie kwantów.

Źródła

Emily Conover, A tiny, levitated glass sphere behaves like the hottest engine ever made, Science News, 18 października 2025,
https://www.sciencenews.org/article/hottest-engine-levitated-glass

M. Message i in., Extreme-temperature single-particle heat engine, arXiv:2501.03677v1 [cond-mat.stat-mech], 7 stycznia 2025,
https://arxiv.org/abs/2501.03677

• Nauki techniczne