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非平衡軟物質特集: 世界最小的熱引擎

2011/08/21 | | 標籤:

工業革命是從對熱與動力的關係開始,因為發現了怎麼把熱有系統的轉成機械能,於是熱機開始推動了各種機器,把人從勞力中解放,才讓人類的社會進入了一個新的時代。傳統的熱機基本原理是經由熱機中介質的膨脹收縮,把能量由熱的流動中擷取能轉換成機械能的部分來使用。但是這樣的熱流動跟機械能的轉換其實發生在更多地方,不是只有像引擎那樣的設計才能做到。其中有一類的運動是因為不均勻加熱而讓物體表面產生流體的運動,當這樣的效應以微觀層次來看的時候,只有一個粒子放在流體裡,溫度梯度讓小粒子開始跟表面的流體有相對堆進,就會看到所謂的熱泳動現象-粒子會在溫度梯度中運動 -這個過程同樣是由熱流來產生機械能。

利用這樣的原理,影片中設計出一種單邊鍍金的玻璃小球,大小只有萬分之一公分。因為照射光之後,鍍金的那邊會因為吸收光而被加熱(就像陽光下金屬會很燙一樣),所以會讓周圍的液體開始往鍍金那方向流動,粒子自己則往沒有鍍金的方向跑。利用這種效應,只要把兩顆這樣的粒子接在一起,就變成了一個小旋轉引擎,只要一照光就不停的旋轉。影片中可以看到旁邊沒有固定的粒子正在做布朗運動,而被固定住的小馬達(有一半黑黑的粒子)也因為布朗運動而不停的前後擺。當一照光之後,固定的粒子開始旋轉,因為熱梯度產生的液體流動也把那些晃動的粒子吹開。這實驗證實了這樣的效應存在,只要好好設計也有很大的效果。這研究雖然設計簡單,但卻是貨真價實的熱引擎,或許一些微小機械設計有一天都能基於這樣的熱功原理被做出來。其實在自然界的生物中,各種生物分子也不停的消耗能量並轉換成各種分子運動,或許是細胞骨骼的變動,許是酵素的催化震動。也許過不了多久,熱機的概念跟粒子的非平衡運動就會走到跟生物分子相遇的那天了!

八月紀念特集: 屬於scimage的故事 – 非平衡軟物質 目錄

本文原發表於科學影像Scimage

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