Cosa succede quando costruisci un motore termico più piccolo di un globulo rosso e lo fai funzionare a temperature da nucleo solare? Tecnicamente, dovrebbe funzionare. Praticamente, le fluttuazioni casuali dovrebbero mandare tutto all’aria. La termodinamica classica funziona solo “in media” a scala microscopica: per brevi istanti, l’energia può andare dove non dovrebbe, l’efficienza può superare il 100 percento, le leggi possono sembrare violate. Dei fisici britannici hanno dimostrato che è possibile costruire un motore Stirling microscopico che lavora a 13 milioni di kelvin (10 milioni di °C o 18 milioni di °F). Non produce lavoro utile, ma ci insegna qualcosa di prezioso sulla fisica che governa il movimento delle molecole nel nostro corpo.
La particella che diventa motore
Il team del King’s College di Londra guidato da Molly Message ha preso una particella di silice da 4,82 micrometri di diametro (una frazione dello spessore di un capello) e l’ha sospesa in una trappola di campi elettrici. La particella può oscillare un po’, ma non può scappare. Poi hanno applicato rumore elettrico che simula temperature fino a 13 milioni di kelvin, molto più calde dei 5.800 kelvin della superficie del Sole e vicine ai 15 milioni kelvin del suo nucleo. Non è temperatura fisica reale: il rumore elettrico fa oscillare la particella esattamente come farebbe se si trovasse davvero a quelle condizioni. L’ambiente circostante resta circa cento volte più freddo, creando un contrasto termico impossibile da ottenere in un motore Stirling normale.
Il motore Stirling tradizionale funziona riscaldando e raffreddando un gas sigillato che si espande e si contrae in cicli ripetuti, convertendo calore in energia meccanica. Quello microscopico sostituisce il gas con una singola particella che oscilla in acqua. Al posto del pistone, un laser focalizzato controlla il movimento. Al posto della fiamma, un altro laser riscalda l’acqua circostante. Lo studio pubblicato su Nature Physics ha fatto girare il sistema per 700-1.400 cicli per studiare come si comporta.
Quando l’efficienza supera il 100%
I ricercatori hanno osservato enormi fluttuazioni nello scambio di calore e brevi periodi in cui la particella sembrava produrre più lavoro del calore consumato, raggiungendo temporaneamente un’efficienza superiore al 100 percento. È come qualcuno che per cinque minuti sembra lavorare il triplo del normale, poi rallenta e alla fine della giornata ha fatto esattamente quello che doveva fare. È solo il risultato della casualità e delle fluttuazioni gigantesche di calore ed energia a scale così piccole. Non è inaspettato. La seconda legge della termodinamica a livello microscopico si applica solo alle medie: ci possono essere momenti che sembrano infrangerla, ma quando fai la media di tutto, il sistema si comporta come dovrebbe.
Perché serve davvero
La parte interessante non è il motore in sé. È che la particella non si muove a caso nella trappola, come ci si aspetterebbe dalla diffusione in un ambiente uniforme: il suo movimento dipende da dove si trova. Quando temperatura e consistenza di un mezzo cambiano, cambia anche come le particelle si muovono attraverso di esso. Si chiama diffusione posizione-dipendente.
Questo è importante nei sistemi biologici, dove le particelle interagiscono con membrane, fluidi e tessuti. Il setup del team potrebbe essere un modo per studiare problemi come il trasporto di farmaci attraverso il corpo. Come spiega Message:
“Questa piattaforma sperimentale mostra grande potenziale nella capacità di simulare ed esplorare non solo alte temperature, ma anche lo scenario termodinamico biologicamente rilevante della diffusione posizione-dipendente. Questa è fondamentale per capire, per esempio, il ripiegamento delle proteine e il trasporto di massa in contesti biologici.”
Il team ora spera di spingere il loro motore Stirling microscopico ancora più lontano dall’equilibrio, esplorando la fisica strana e fluttuante che governa movimento ed energia alle scale più piccole. Non serve per produrre energia. Serve per capire come funziona davvero la materia quando le dimensioni diventano così ridotte che il caos quantistico inizia a dominare.
Un motore che temporaneamente viola le leggi della fisica non è un paradosso. È solo un promemoria che quelle leggi hanno senso solo quando guardi abbastanza a lungo. A scale microscopiche, per brevi istanti, tutto può succedere. Poi la media si ricompone, e il mondo torna quello che conosciamo.
È un po’ come la vita: caotica nel breve termine, prevedibile nel lungo. Solo che qui il lungo termine sono pochi secondi.
