सूर्य से भी ज़्यादा गर्म इंजन: वैज्ञानिकों ने बनाया 13 मिलियन केल्विन तापमान पर चलने वाला सूक्ष्म स्टर्लिंग इंजन
सूर्य के सबसे भीतरी केंद्र के तापमान पर चलने वाला एक छोटा, कण-आकार का इंजन ऊष्मागतिकी की सूक्ष्मतम चरम सीमाओं की एक झलक खोल सकता है। सिलिका के एक कण को निर्वात में उत्प्लावित करके और उसे 10 मिलियन केल्विन (10 मिलियन °C या 18 मिलियन °F) से अधिक कृत्रिम तापमान पर विस्फोटित करके, भौतिकविदों ने एक सूक्ष्म स्टर्लिंग ऊष्मा इंजन बनाया है – किसी छोटी मशीन को शक्ति प्रदान करने के लिए नहीं, बल्कि ऊष्मा और ऊर्जा के भौतिकी को बेहतर ढंग से समझने के लिए। उल्लेखनीय रूप से, यह हमारे शरीर में होने वाली जटिल सूक्ष्म प्रक्रियाओं की भी अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। किंग्स कॉलेज लंदन की भौतिक विज्ञानी मौली मैसेज के नेतृत्व वाली एक टीम लिखती है, “यह प्रायोगिक प्लेटफ़ॉर्म न केवल उच्च तापमान, बल्कि स्थिति-निर्भर विसरण के जैविक रूप से प्रासंगिक ऊष्मागतिकी परिदृश्य का अनुकरण और अन्वेषण करने की अपनी क्षमता में भी बहुत आशाजनक है।” “स्थिति-निर्भर विसरण, उदाहरण के लिए, जैविक परिस्थितियों में प्रोटीन वलन और द्रव्यमान परिवहन को समझने के लिए महत्वपूर्ण है।”
स्टर्लिंग इंजन एक सीलबंद गैस या तरल पदार्थ को गर्म और ठंडा करके काम करता है जिससे यह एक दोहराए जाने वाले चक्र में फैलता और सिकुड़ता है, जिससे ऊष्मा यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। एक सूक्ष्म स्टर्लिंग इंजन एक लघु एनालॉग है, जो उन्हीं सिद्धांतों पर आधारित है, लेकिन एक माइक्रोमीटर पैमाने पर संचालित होता है। मैसेज और उनके सहयोगियों ने अपना इंजन सिलिका के एक गोलाकार कण के चारों ओर बनाया, जिसका व्यास केवल 4.82 माइक्रोमीटर था – जो मानव बाल की चौड़ाई का एक अंश मात्र है। इस कण को विद्युत क्षेत्रों से बने एक जाल में ऊपर उठाया गया था, जहाँ यह थोड़ा हिल सकता है, लेकिन बच नहीं सकता। फिर, उन्होंने कण पर विद्युत शोर लागू करके 13 मिलियन केल्विन तक के तापमान का अनुकरण किया – जो सूर्य की सतह के 5,800-केल्विन तापमान से कहीं अधिक गर्म है, और इसके केंद्र के 15 मिलियन केल्विन तापमान के करीब है। ये प्रभावी (भौतिक नहीं) तापमान हैं: सिस्टम पर लागू विद्युत शोर सिलिका कण को ठीक उसी तरह हिलाता है जैसे वह 13 मिलियन केल्विन तक के तापमान की स्थिति में हिलता है।
इस बीच, कण के चारों ओर का ‘ठंडा’ वातावरण लगभग 100 गुना कम रहा – एक ऐसा तापमान अंतर जो वास्तविक स्टर्लिंग इंजन में अप्राप्य होगा – जिससे ऊष्मागतिकी की जांच पूर्ण पैमाने पर संभव से कहीं आगे तक संभव हो सकी। ये प्रभावी (भौतिक नहीं) तापमान हैं: सिस्टम पर लागू विद्युत शोर सिलिका कण को ठीक उसी तरह हिलाता है जैसे वह 13 मिलियन केल्विन तक के तापमान की स्थिति में हिलता है। इस बीच, कण के चारों ओर का ‘ठंडा’ वातावरण लगभग 100 गुना कम रहा – एक ऐसा तापमान अंतर जो वास्तविक स्टर्लिंग इंजन में अप्राप्य होगा – इससे ऊष्मागतिकी की जांच पूर्ण पैमाने पर संभव से कहीं आगे तक संभव हो पाई। सबसे दिलचस्प बात यह है कि कण जाल में बेतरतीब ढंग से नहीं हिल रहा था, जैसा कि हम एकसमान वातावरण में सामान्य विसरण में देख सकते हैं; इसकी गति इस बात पर निर्भर करती थी कि वह जाल में कहाँ है।
जब किसी माध्यम का तापमान और गाढ़ापन बदलता है, तो कणों की उसमें गति करने की क्षमता बदल जाती है, इस घटना को स्थिति-निर्भर विसरण कहते हैं। यह जैविक प्रणालियों में महत्वपूर्ण है, जहाँ कण झिल्लियों, द्रवों और ऊतकों के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। इसलिए टीम का यह सेटअप शरीर में दवा के परिवहन जैसी समस्याओं की जाँच करने का एक तरीका हो सकता है। टीम अब अपने सूक्ष्म स्टर्लिंग इंजन को संतुलन से और भी दूर ले जाने की उम्मीद कर रही है, और उस अजीब, उतार-चढ़ाव वाले भौतिकी की खोज कर रही है जो सबसे छोटे पैमाने पर गति और ऊर्जा को नियंत्रित करता है। यह शोध फिजिकल रिव्यू लेटर्स में प्रकाशित हुआ है।
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