Дослідники з Королівського коледжу Лондона розробили унікальний мікродвигун, розмір якого менший за клітину людського організму. Для цього вони використали лише одну мікрочастинку, контроль над якою здійснювали за допомогою електричних полів. Унікальність винаходу полягає не лише у його мініатюрності, а й у тому, що частинка нагрівалась до температури 10 мільйонів градусів Цельсія, що значно перевищує температуру поверхні Сонця та у три рази перевищує температуру його корони.
Про це розповідає ProIT
Інноваційний підхід до моделювання на атомарному рівні
Для реалізації цього експерименту вчені скористалися квадрупольною іонною пасткою, також відомою як пастка Пола. Цей пристрій дозволяє утримувати поодинокі заряджені мікрочастинки у майже вакуумних умовах, ізолюючи їх від зовнішніх впливів. На електроди пастки подавалася шумова напруга, що спричиняло хаотичні вібрації частинки. Унаслідок таких рухів виділялася велика кількість тепла, однак його поведінка була непередбачуваною: замість постійного нагрівання іноді відбувалося охолодження, що суперечить класичним уявленням про термодинаміку.
На мікроскопічному рівні закони термодинаміки працюють за новими принципами, які досліджує стохастична термодинаміка. У середньому закони статистики зберігаються, проте у конкретний момент часу поведінка частинки може відхилятися від очікуваної. Вчені зазначають, що всі ці процеси є флуктуаціями, які неможливо точно передбачити у короткочасних інтервалах.
“Двигуни та типи передачі енергії, які в них відбуваються, є мікрокосмом більшого Всесвіту. Вивчення парового двигуна призвело до появи польової термодинаміки, яка, своєю чергою, відкрила деякі фундаментальні закони фізики. Подальше вивчення двигунів у нових режимах відкриває можливості для розширення нашого розуміння Всесвіту та процесів, що визначають його розвиток. Зрозумівши термодинаміку на цьому неінтуїтивному рівні, ми зможемо в майбутньому проєктувати досконаліші двигуни та проводити експерименти, які кинуть виклик нашому розумінню природи”, — пояснює перша авторка дослідження Моллі Мессадж.
Застосування у біології: моделювання згортання білків
Дослідження має важливе значення для біології, зокрема для вивчення процесів згортання білків у клітинах. Білки повинні набувати чітко визначених тривимірних форм, щоб виконувати свої функції. Порушення цього процесу може призвести до розвитку захворювань, зокрема муковісцидозу, хвороби Альцгеймера чи Паркінсона. Водночас прогнозування того, як саме білок згортатиметься, залишається надскладною задачею.
Раніше прорив у цій сфері здійснила компанія DeepMind, яка створила систему штучного інтелекту AlphaFold, здатну точно передбачати фінальну форму білка за амінокислотною послідовністю. Однак AlphaFold не відображає увесь шлях згортання, що унеможливлює аналіз потенційних моментів неправильного формування білка.
Традиційні суперкомп’ютери стикаються із труднощами при моделюванні процесу згортання через необхідність обробки мільярдів атомних переміщень за наносекунди, що вимагає величезних обчислювальних ресурсів. Запропонований британськими науковцями підхід дає змогу фізично моделювати ці процеси, використовуючи мікрочастинку як аналоговий комп’ютер. Так, її рух і взаємодія з електричними полями та шумовою напругою імітують динаміку згортання білка у клітині.
“Перевага нашого методу перед традиційними цифровими моделями, такими як AlphaFold, полягає у простоті. Білки згортаються за мілісекунди, а атоми, з яких вони складаються, переміщуються за наносекунди. Через різницю в часі комп’ютеру дуже складно моделювати їх. Просто спостерігаючи за рухом мікрочастинки та розраховуючи на основі цього ряд рівнянь, ми повністю уникаємо цієї проблеми”, — підкреслила Моллі Мессадж.
Результати цього дослідження опубліковані у журналі Physical Review Letters. Відкриття може не лише поглибити розуміння фундаментальних законів природи, а й сприяти створенню більш ефективних біологічних та технічних систем у майбутньому.
