Wykorzystanie ruchu Browna

Małe cząsteczki zawieszone w cieczy są nieustannie uderzane w zderzenia z innymi cząsteczkami, powodując ich nieregularne drgania w sposób znany jako ruch Browna. Zjawisko – po raz pierwszy zaobserwowane przez botanika Roberta Browna w 1824 r., a później opisane teoretycznie przez Alberta Einsteina – ma charakter wszechobecny w naturze i jest nieuniknioną konsekwencją energii cieplnej w środowisku. Biochemik z University of Chicago, R. Dean Astumian, twierdzi, że stosując siły zewnętrzne i stosując różne sztuczki, możemy odchylić te losowe meandry i sprawić, by rzeczy poruszały się bardziej w jedną stronę niż w drugą, kładąc w ten sposób podwaliny pod potencjalnie przydatne urządzenia.

Jeden układ składałby się z pochylonej rury, która ma szereg dodatnich i ujemnych elektrod przymocowanych z jednej strony i która zawiera również płyn wypełniony ujemnie naładowanymi cząstkami. Gdy prąd jest włączony, przyciąganie elektryczne spowoduje akumulację wszystkich cząstek na elektrodach dodatnich. Gdy elektryczność jest wyłączona, grawitacja spowoduje, że większość cząstek będzie dryfować w dół. Ale dzięki ruchom Browna niektórzy czasami pójdą pod górę. Jeśli te poruszające się w górę cząstki przejdą przez elektrodę ujemną, która znajduje się tuż nad dodatnią, zostaną zepchnięte w górę do następnej elektrody dodatniej po ponownym włączeniu elektryczności. Reszta cząstek, które dryfowały w dół, powróci do elektrody dodatniej, gdzie pierwotnie się zebrały. Powtarzając ten proces, włączając i wyłączając elektryczność dokładnie we właściwych momentach, możemy generować ruch sieciowy w górę, wyjaśnia Astumian.

Ta historia była częścią naszego wydania z października 1997 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Jeśli do rury doda się większe cząstki – złożone z tego samego materiału i niosące ten sam ładunek ujemny – będą miały tendencję do poruszania się w dół bardziej niż mniejsze cząstki, ponieważ doświadczają silniejszego szarpania pod wpływem grawitacji ze stosunkowo mniejszym oporem tarcia. Jeśli zrobisz to dobrze, możesz skończyć z sytuacją, w której duże cząstki poruszają się w dół, podczas gdy małe cząstki poruszają się w górę, mówi Astumian. To może być niezwykle przydatne, dodaje, ponieważ obecnie nie ma naprawdę dobrych sposobów rozdzielania cząstek według wielkości. Twierdzi, że podejście oparte na tendencyjnym ruchu Browna może stanowić podstawę dla praktycznych urządzeń, które mogłyby w sposób ciągły oddzielać białka lub inne molekuły w przetwarzaniu biologicznym lub chemicznym.

Ale nawet jeśli takie zastosowania się nie powiodą, badania powinny przynajmniej przyczynić się do nowego zrozumienia losowego, napędzanego termicznie ruchu, znanego również jako szum termiczny. Zawsze uważaliśmy, że szum termiczny jest czymś, czego należy się pozbyć, mówi Astumian. Ale teraz przyjmujemy odwrotne podejście i staramy się używać go konstruktywnie.

ukryć