Новости химической науки > Самый маленький паровой двигатель в мире

Исследователи из Университета Штутгарта разработали самую маленькую в мире тепловую машину – способную к преобразованию теплоты в механическую работу на микрометровом уровне.

Несмотря на то, что новая система пока не может быть использована на практике, основными результатами работы исследователей из Штутгарта можно считать принципиальную демонстрацию возможностей таких систем на микроуровне. Это, в свою очередь, позволяет говорить о том, что могут быть созданы и другие, более эффективные небольшие по размеру тепловые двигатели.

Паровая машина в микромире. Для нормальной тепловой машины газ расширяется и сжимается при различных температурах, перемещая поршень внутри цилиндра. Физикам из Штутгарта удалось воспроизвести этот рабочий цикл тепловой машины на микроуровне. (Рисунок из Nature Physics, 2011 DOI: 10.1038/NPHYS2163)

При уменьшении размера технология, исправно работающая в рамках макроскомира, может сталкиваться с неожиданными проблемами, что связано с различием значимости проявления ряда фундаментальных физических законов на макро- и микроуровне. Тем не менее, несмотря на различие в размерах ряд физических процессов удивительно одинаков в проявлениях и для больших и для малых систем. Клеменсу Бешингеру (Clemens Bechinger) с коллегами удалось наблюдать это сходство.

Клеменс Бешингер отмечает, что он и его коллеги создали самую маленькую паровую машину в мире, или, если быть точнее, самый маленький двигатель Стирлинга, способный к преобразованию тепловой энергии в механическую работу. Результат работы исследователей нельзя назвать неожиданным – полученная машина настолько мала, что ее движение может ограничиваться микроскопическими явлениями, влияние которых ничтожно для работы макроскопических систем.

Законы микромира утверждают, что исследователи не в состоянии сконструировать микроскопический двигатель за счет простого пропорционального уменьшения его отдельных деталей и компонентов. Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, работа этого двигателя основана на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела.

Исследователям из Штутгарта удалось успешно решить задачу уменьшения размера наиболее значимых частей тепловой машины – рабочего тела и поршня – до микрометровых размеров, после чего эти системы были объединены в единую машину. В микромасштабированной тепловой машине газовое рабочее тело, характерное для двигателя Стирлинга, заменили индивидуальной пластиковой бусиной размером 3 мкм, погруженной в воду. Размеры бусины позволяли наблюдать за ней с помощью обычного микроскопа.

Роль еще одного элемента машины Стирлинга – периодически перемещающийся вверх и вниз по цилиндру поршень – был заменен сфокусированным лазерным лучом, интенсивность которого периодически изменялась. Воздействие лазера ограничивало движение пластиковой частицы от более до менее интенсивного, что моделировало сжатие и расширение газа в цилиндре парового двигателя, при этом частица совершала работу в оптическом поле лазера. Для того, чтобы работа машины не проходила по нулевому циклу, в ходе расширения в систему подавали теплоту за счет внешнего воздействия еще одним лазерным лучом.

Источник: Nature Physics, 2011 DOI: 10.1038/NPHYS2163

метки статьи: #физическая химия