Группе шотландских исследователей под руководством профессора химии Эдинбургского университета Дэвида Ли удалось изобрести наномашинку, принцип действия которой во многом напоминает работу «демона Максвелла» — знаменитого мысленного эксперимента основоположника классической электродинамики Джеймса Клерка Максвелла.
Как известно, еще в 1867 году Максвелл (к слову сказать, также уроженец Эдинбурга) предложил условную схему, нарушающую второе начало термодинамики (его формулировка такова: невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от менее нагретого тела более нагретому).
В мысленном эксперименте Максвелла сосуд с газом разделен непроницаемой перегородкой на две части. В перегородке имеется отверстие с неким устройством, которое позволяет пролетать быстрым (горячим) молекулам газа только из левой части сосуда в правую, а медленным (холодным) молекулам — только из правой части в левую. Через большой промежуток времени все горячие молекулы окажутся в правом сосуде, а все холодные в левом.
Иными словами, «демон Максвелла» позволяет нагреть правую часть сосуда и охладить левую без дополнительного подвода энергии к системе, что противоречит базовому термодинамическому принципу.
Этот парадокс разрешается, если рассмотреть замкнутую систему, включающую в себя и сосуд, и самого «демона». Дело в том, что для функционирования «демону Максвелла» также необходима передача энергии от стороннего источника. И именно за счет этой внешней энергии и производится разделение горячих и холодных молекул в сосуде. В природе существует огромное количество подобных молекулярных машинок, выводящих химические системы из состояния термодинамического равновесия. А вот попытки ученых создать искусственные наноаналоги до сих пор были тщетными.
Однако группа Дэвида Ли, похоже, наконец смогла сделать то, что так долго не удавалось ее многочисленным предшественникам. Шотландские исследователи использовали в своих экспериментах молекулы искусственного органического соединения ротаксана, способные переключаться между двумя стабильными состояниями. Ротаксаны состоят из двух компонентов, химическая связь между которыми отсутствует. Первый компонент — длинная гантелеобразная молекула, строение которой линейно, второй — макросоединение кольцеобразной формы, охватывающее концы молекулярной «гантели». На обоих концах «гантели» имеются особые «информационные заглушки», которые не дают молекулам второго кольцеобразного фрагмента ротаксана свободно перемещаться вдоль своей оси.
Воздействуя на молекулы ротаксана обычным комнатным светом, Дэвид Ли и его коллеги добились того, что кольцевой фрагмент соединения поглощал световые фотоны и передавал полученную энергию «заглушкам». Те на время открывались и позволяли кольцевым молекулам перемещаться вдоль своей оси.
По словам Дэвида Ли, поставленный его группой эксперимент можно считать первым приближением к мысленной схеме Максвелла: два противоположных конца гантелеобразной молекулы ротаксана — это аналоги двух газовых камер, а «демоны» — «информационные заглушки», контролирующие передвижение молекул его кольцеобразных фрагментов.
Впрочем, никакого нарушения второго начала термодинамики при этом, разумеется, не происходило, поскольку «демоны-заглушки» также непосредственно участвовали в энергообмене, питаясь световыми фотонами.
