Химики «вызвали» демона Максвелла, чтобы сконструировать химический насос

Работа мощных компьютеров, понимание рыночных отношений, управляющих мировой экономикой, — чтобы осмыслить закономерности и силы, приводящие в движение все эти процессы, исследователи зачастую прибегали к мысленным экспериментам, в которых «принимали участие» демоны, дьяволы, големы и джинны.

Эти вымышленные существа — не результат суеверий ученых или порождение псевдонаучных теорий, а что-то вроде полезных аллегорий, сыгравших важную роль в становлении современной науки.

В 1867 году шотландский физик Джеймс Максвелл (James Maxwell), пытаясь понять статистическое поведение частиц газа, поставил мысленный эксперимент «с участием» одного из таких демонов. Этот демон управлял «дверцей» в наполненном газом герметичном сосуде и выбирал, какие молекулы из одной части емкости могут перемещаться в другую.

Демон Максвелла избирательно пропускал в один отсек сосуда быстрые горячие молекулы, а в другой — медленные холодные. В итоге все молекулы сосуда разделялись на две части: в одном отсеке становилось теплее, в другом — холоднее.

После разделения молекул средние скорости частиц оказывались разными. Температура напрямую зависит от средней скорости частиц, а значит, демон создавал разницу температур между двумя частями емкости.

Своими действиями демон Максвелла упорядочивал молекулы и тем самым уменьшал энтропию системы. Это противоречит второму закону термодинамики, который гласит, что тепловая энергия или тепло передается от более горячего тела к более холодному, но не может переходить самопроизвольно от более холодного тела к более теплому, если, конечно, не использовать энергию, чтобы заставить тепло двигаться в обратном направлении.

Чуть позже физики решили этот парадокс: они успешно моделировали мысленный эксперимент Максвелла в лаборатории на разных объектах, в основном на микроуровне. При этом второй закон термодинамики не нарушали. Система была устроена так, что демон получал энергию для сортировки из внешнего источника.

Группа британских химиков под руководством Джонатана Нитшке (Jonathan Nitschke) из Кембриджского университета создала «химический насос», который функционирует так же, как мысленный эксперимент Максвелла. Однако, в отличие от всех предыдущих опытов с демоном, в которых ученые пытались заставить его работать на микроуровне, система авторов нового исследования действует на гораздо больших масштабах: разделяет молекулы на расстоянии нескольких сантиметров — самое большое на сегодня. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Chemistry.

Устройство химиков представляет собой U-образную трубку, заполненную светочувствительным химическим веществом под названием орто-фторазобензол (fluoroazobenzene). Один из изгибов трубки ученые заполнили водным раствором на основе комплекса железа, который может переносить молекулы с одного изгиба трубки к другому. Этот раствор эквивалентен демону, открывающему или закрывающему дверцу в мысленном эксперименте Максвелла.

Когда Нитшке и его команда облучали светом один из изгибов (с длиной волны 530 нанометров и 400 нанометров), орто-фторазобензол изменялся таким образом, чтобы уместиться в раствор на основе железа, который затем переносил молекулы вещества на другой изгиб трубки. В результате общая концентрация орто-фторазобензола повышалась во втором изгибе, но падала в изначальном, первом. В природе, то есть без участия ученых, ничего подобного не произошло бы. Иными словами, демон Максвелла в виде водного раствора на основе комплекса железа создавал градиент концентраций, а необходимую для этого процесса энергию давал свет.

Затем химики ввели в свою систему еще один компонент — растворимый нафталин. Оказалось, при его добавлении концентрация орто-фторазобензола во втором изгибе увеличивалась почти в два раза по сравнению с системой без нафталина.

Команда Нитшке собирается повторить свой эксперимент, но с молекулами других веществ. Если опыт окажется успешным, «химический насос» можно будет использовать в производстве лекарств для очистки действующего вещества от ферментов, смесей и других компонентов.

Сегодня на процессы химического разделения исследователи тратят значительное количество энергии: например, в США это составляет примерно 50 процентов от общих мощностей промышленного энергопотребления. Традиционные методы химического разделения требуют интенсивного нагрева и охлаждения, что делает их крайне энергозатратными. В этом случае система группы Нитшке выглядит крайне привлекательной, ведь для ее работы будет нужно гораздо меньше электричества.