Ο δαίμονας του Maxwell εξημερώθηκε

Πηγή: Physics Web, 31 Ιανουαρίου 2007

Την πρώτη κατασκευασμένη μοριακή μηχανή που μπορεί να οδηγήσει ένα σύστημα μακριά από την ισορροπία με τη βοήθεια ενός "αναστολέα πληροφοριών", ισχυρίζονται ότι έφτιαξαν ερευνητές στη Σκωτία. Η μηχανή, στην οποία μια πύλη που τροφοδοτείται με φως ελέγχει τη μεταφορά των μορίων, χρησιμοποιεί μια παρόμοια αρχή με το δαίμονα του Μάξγουελ, ένα διάσημο νοητικό πείραμα που επινοήθηκε για να προκαλέσει την διατύπωση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής (Nature 445 523).

Η ίδια η φύση χρησιμοποιεί μοριακές μηχανές για να οδηγήσει τα χημικά συστήματα μακριά από τη θερμοδυναμική ισορροπία ουσιαστικά σε κάθε σημαντική βιολογική διαδικασία. Αλλά ενώ οι επιστήμονες είναι πρόθυμοι να δημιουργήσουν παρόμοιες μηχανές για να εκτελέσουν στόχους σε νανοκλίμακα, μέχρι τώρα είχαν επιτυχία μόνο με απλούς διακόπτες οι οποίοι προχωρούσαν προς την ισορροπία.

Ο David Leigh μαζί με άλλους ερευνητές στο πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου, εντούτοις, έχουν αποδείξει ότι μπορούν να οδηγηθούν μακριά από την ισορροπία μόρια αν χρησιμοποιηθεί ένας μοριακός "αναστολέας πληροφοριών". Για να το κατορθώσουν, χρησιμοποιούν ένα μηχανισμό, το λεγόμενο μόριο "rotaxane", που είναι μια μοριακή συγκέντρωση που περιλαμβάνει έναν άξονα σαν αλτήρα στον οποίο μπορεί να γλιστρήσει ένα δαχτυλίδι, το οποίο εμποδίζεται μόνο από μια πύλη τοποθετημένη μακριά του. Αν φωτίσουμε όμως το rotaxane, τότε το δαχτυλίδι απορροφά τα φωτόνια και μεταφέρει την ενέργεια στην πύλη, η οποία τότε προσωρινά μεταμορφώνεται για να επιτρέψει το πέρασμα στο δαχτυλίδι. Αλλά, μόλις περάσει το δαχτυλίδι δεν μπορεί να διαβιβάσει την ενέργεια πίσω στην πύλη, και επομένως αδυνατεί να προχωρήσει.

Δεξιά μονόδρομος: Αυτές οι εικόνες επεξηγούν πώς ο μηχανισμός του αναστολέα πληροφοριών στο μόριο "rotaxane" είναι ανάλογος με το "δαίμονα του Maxwell", το περίφημο διανοητικό πείραμα του ειδικού της στατιστικής θερμοδυναμικής Maxwell. Στην εικόνα (α), η ενέργεια από ένα φωτόνιο (hν) διεγείρει το δακτυλιοειδές τμήμα του rotaxane (που αναπαριστάται με ένα μόριο στην αριστερή αίθουσα). Το δαχτυλίδι είναι σε μια τέτοια θέση ώστε να μπορεί να διαβιβάσει την ενέργεια που έλαβε στην πύλη (που αντιπροσωπεύεται και από το δαίμονα και από την πύλη), έτσι ώστε η πύλη να ανοίξει και να αφήσει να περάσει το δαχτυλίδι. Στην (b) το δαχτυλίδι μόλις πέρασε στην άλλη πλευρά του μορίου rotaxane. Στην (c), το δακτυλίδι (κόκκινη κουκίδα) είναι πάρα πολύ μακριά για να είναι σε θέση να διαβιβάσει την ενέργεια πίσω στην πύλη (d), αντίθετα απελευθερώνει την ενέργεια στο περιβάλλον.

Σύμφωνα με το David Leigh από το πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου, η φάση (d) είναι κρίσιμο για την κατανόηση γιατί ο δαίμονας του Maxwell δεν παρέχει ένα υποστηρίξιμο επιχείρημα για μια παραβίαση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής, επειδή αναγκάζει την διαγραφή των "πληροφοριών του δαίμονα" για τη θέση του μορίου και ως εκ τούτου κάνει τη διαδικασία αμετάκλητη - μια ρωγμή στη θεωρία που ο ερευνητής Charles Bennett της ΙΒΜ επισήμανε το 1982.

Ο δαίμονας του Maxwell

Μια συγκρίσιμη τέτοια διαδικασία με έναν τροχό δημιουργήθηκε πριν 140 χρόνια από τον James Clerk Maxwell σε ένα νοητικό πείραμα (για να διαπιστώσει αν μπορεί να παραβιαστεί ο 2ος θερμοδυναμικός νόμος) που ονομάστηκε αργότερα ο "δαίμονας του Maxwell". Ο Maxwell είχε υποθέσει ότι θα μπορούσε να εφευρεθεί κάποια οντότητα (ένας "δαίμονας") για να ενεργήσει ως θυρωρός μεταξύ δύο απομονωμένων θαλάμων αερίου, που θα άφηνε να περάσουν τα γρήγορα μόρια μόνο στον ένα θάλαμο και αφήνοντας τα αργά μόρια στον άλλο. Με αυτό τον τρόπο, πρότεινε, θα αυξανόταν σταδιακά η διαφορά στη θερμοκρασία μεταξύ των δύο θαλάμων, παραβιάζοντας κατά συνέπεια το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

Αριστερά: Η επιστροφή του δαίμονα

Παρουσιάστηκε, εντούτοις, μία ρωγμή στο νοητικό πείραμα του Maxwell. Αυτή ήταν ότι ο ίδιος ο δαίμονας θα ξόδευε ενέργεια κατά την έλεγχο της πύλης. Στο σύστημα της ομάδας του Εδιμβούργου, η όρεξη του δαίμονα ικανοποιείται από την ενέργεια του φωτός, και ως εκ τούτου ο δεύτερος νόμος παραμένει αδιαφιλονίκητος.

Σύμφωνα με τον Leigh, οι δύο θάλαμοι με το αέριο είναι ανάλογες με τις αντιτιθέμενες πλευρές του μορίου rotaxane, και ο δαίμονας - ίσως και μα μην φαίνεται ξεκάθαρα - είναι ανάλογος με έναν διπλό δεσμό μέσα στην πύλη που λαμβάνει την ενέργεια από το δαχτυλίδι.

Εντούτοις, οι ερευνητές έχουν δείξει ακόμα ότι είναι δυνατό να αναγκαστεί ένα σύνολο μορίων rotaxane να βρεθεί μακριά από την ισορροπία, που όπως λέει ο Leigh θα μπορούσε να οδηγήσει σε μοριακές μηχανές που να είναι τόσο λειτουργικές όσο αυτές που φαίνονται στη βιολογία. Παραδείγματος χάριν, ιόντα θα μπορούσαν να συνδεθούν με τα δαχτυλίδια και να εμποδίσουν μια αύξηση της συγκέντρωσης. "Επειδή καταλαβαίνουμε με ακρίβεια πώς συμπεριφέρεται αυτό το μόριο από μια χημική σκοπιά, μας επιτρέπει να εκτιμήσουμε ακριβώς γιατί ο αναστολέας των πληροφοριών απαιτεί μια εισαγωγή ενέργειας για να λειτουργήσει", εξηγεί ο ίδιος. 

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής απαγορεύει (μεταξύ των άλλων) σε δύο σώματα ίσης θερμοκρασίας, που είναι σε επαφή μεταξύ τους και απομονωμένα από το υπόλοιπο σύμπαν, από το να εξελιχθούν σε μια κατάσταση στην οποία το ένα από τα δύο να έχει μια σημαντικά υψηλότερη θερμοκρασία από το άλλο. Ο δεύτερος νόμος εκφράζεται επίσης και ως εξής: σε ένα απομονωμένο σύστημα, η εντροπία δεν μειώνεται ποτέ.