Исследователи из Королевского колледжа Лондона создали самый маленький двигатель в мире из одной микрочастицы, меньше клетки в человеческом теле.
Ученые воздействовали на частицу электрическими полями, нагрев ее до 10 млн°C. Это выше температуры на поверхности Солнца и в три раза выше температуры солнечной короны. В классической физике двигатель — любой механизм, преобразующий один вид энергии в другой. Однако в меньших масштабах все выглядит несколько иначе.
Для создания своего крошечного двигателя исследователи использовали устройство, которое называется квадрупольной ионной ловушкой или ловушкой Пола. Устройство использует осциллирующие электрические поля для захвата одиночной заряженной микрочастицы и удержания ее в условиях, близких к вакууму. Установка изолирует частицу от окружающей среды.
Ученые подавали на электроды ловушки случайное шумовое напряжение. Этот шум заставлял частицу активно вибрировать. В процессе движения она выделяла много тепла. Однако поведение этого тепла было непредсказуемым. Во время каждого запуска поведение частицы было случайным.
Под влиянием источника тепла частица иногда охлаждалась вместо того, чтобы нагреваться. Дело в том, что в очень малых масштабах законы термодинамики работают иначе. В новой области, получившей название стохастической термодинамики, в среднем все законы справедливы, однако иногда наблюдается действительно странное поведение, которое противоречит ожиданиям и привычным представлениям. В среднем атом подчиняется статистическим законам, но в любом заданном интервале времени среднего значения нет. Все это флуктуация.
«Двигатели и типы передачи энергии, которые в них происходят, являются микрокосмом большей Вселенной. Изучение парового двигателя привело к появлению полевой термодинамики, которая, в свою очередь, открыла некоторые фундаментальные законы физики. Дальнейшее изучение двигателей в новых режимах открывает возможности для расширения нашего понимания Вселенной и процессов, определяющих ее развитие. Поняв термодинамику на этом неинтуитивном уровне, мы сможем в будущем проектировать более совершенные двигатели и проводить эксперименты, которые бросят вызов нашему пониманию природы», — объясняет первый автор исследования Молли Мессадж.
Интересно, что это исследование связано с идеей свертывания белков в организме. Бактерии, вирусы и молекулярные структуры внутри клеток человеческого тела представляют отдельные механизмы. Они не работают по предполагаемым средним значениям и существуют среди постоянного теплового шума.
Необычный двигатель из микрочастицы может стать аналогом компьютера для моделирования механизма свертывания белков. Белки для сохранения функциональности должны складываться в точные, сложные трехмерные структуры. Неправильное свертывание провоцирует такие нарушения, как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, а также муковисцидоз. Однако предсказание того, как будет сворачиваться белок, остается очень сложной задачей.
За последние несколько лет компания DeepMind от Google совершила прорыв, создав AlphaFold — модель ИИ, точно предсказывающую конечную трехмерную форму белка по последовательности его аминокислот. За это разработчики получили Нобелевскую премию по химии.
СпецпроектыВідеопроєкт «Щоденник подорожнього»: як сучасні мандрівники відкривають Україну за кермомFYOOCHA та «Фокстрот» запустили продажі USED iPhone, які пройшли детальну діагностику та мають гарантію.
Однако у AlphaFold есть существенное ограничение. ИИ демонстрирует начальную точку (цепочку) и конечную точку (финальную форму), однако не показывает путь, по которому дошел до этих результатов. Самостоятельно он не моделирует процесс свертывания. Путь является ключом к пониманию, в какой момент белок сворачивается неправильно.
Суперкомпьютерам сложно моделировать свертывание белка, поскольку им приходится рассчитывать миллиарды атомных движений в масштабе наносекунд, что требует астрономической вычислительной мощности. Механизм, разработанный исследователями из Королевского колледжа Лондона, решает проблему, заставляя крошечную частицу действовать подобно аналоговому компьютеру.
Вместо цифровых вычислений частица физически моделирует механизм свертывания белка. Ливитирующая частица имитирует белок, а настроенные электрические поля и шумовое напряжение — случайные тепловые силы, которые влияют на реальный белок внутри клетки.
«Преимущество нашего метода перед традиционными цифровыми моделями, такими как AlphaFold, заключается в простоте. Белки сворачиваются за миллисекунды, а атомы, из которых они состоят, перемещаются за наносекунды. Из-за разницы во времени компьютеру очень сложно моделировать их. Просто наблюдая за движением микрочастицы и рассчитывая на основе этого ряд уравнений, мы полностью избегаем этой проблемы», — подчеркнула Молли Мессадж.
Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters
Источник: ZME Science
