Un petit moteur composé d'une perle en verre zappée de champs électriques se comporte comme s'il fonctionnait 2000 fois plus chaud que le soleil
La représentation d'un artiste du moteur extrême
Le moteur le plus chaud du monde est minuscule, atteint des efficacités apparemment impossibles et pourrait approximer les plus petites machines de la nature.
Un moteur thermodynamique est la machine la plus simple qui peut révéler comment les lois de la physique dictent la transformation de la chaleur en travaux utiles. Il a une partie chaude et une partie froide, qui sont connectées par un «liquide de travail» qui se contracte et se développe en cycles. Molly Message et James Millen au King's College de Londres et leurs collègues ont construit l'un des moteurs les plus extrêmes jamais en utilisant une perle en verre microscopique à la place du liquide de travail.
Ils ont utilisé un champ électrique pour piéger et léviter la perle dans une petite chambre à base de métal et de verre qui était presque complètement dépourvue d'air. Pour exécuter le moteur, ils ont changé les propriétés du champ électrique pour resserrer ou desserrer sa «adhérence» sur la perle. Les très quelques particules d'air restantes dans la chambre ont agi comme la partie froide du moteur, tandis que les pointes contrôlées dans le champ électrique jouaient dans la partie chaude. Ces pics ont fait bouger brièvement la particule beaucoup plus rapidement que les très quelques particules d'air qui l'entourent. Parce que les particules plus chaudes se branlent plus rapidement – par exemple, dans un gaz – la particule de verre ici s'est comportée comme si sa température s'était momentanément élevée à 10 millions de Kelvin, ou environ 2000 fois la température de la surface du soleil, bien qu'elle aurait été cool à toucher.
Ce moteur de perle en verre fonctionnait de manière très inhabituelle. Pendant certains cycles, il semblait être incroyablement efficace, la perle en verre se déplaçant plus rapidement que prévu étant donné la force du champ électrique. Cela signifiait que le moteur éteignait efficacement plus d'énergie que de contribution. Mais pendant d'autres cycles, l'efficacité est devenue négative, comme si la perle se refroidissait dans des conditions qui auraient dû la rendre très chaude. «Parfois, vous pensez que vous mettez la bonne énergie, vous mettez les bons mécanismes pour exécuter un moteur de chaleur et vous finissez par exécuter un réfrigérateur», explique Message. La température de la perle variait également en fonction de sa position dans la chambre, ce qui était inattendu car le moteur a été construit, de sorte que la perle aurait soit la température de la partie chaude ou froide du moteur.
Ces bizarreries pouvaient être craquées jusqu'à la taille du moteur: elle était si petite, même une seule particule d'air frapper au hasard la perle pourrait radicalement changer le fonctionnement du moteur – y compris le transformer momentanément en réfrigérateur, explique Millen. Les lois traditionnelles de la physique, qui interdisent un tel comportement, contiennent en moyenne, mais les événements extrêmes abondent toujours. Millen dit qu'il en va de même pour les composants microscopiques des cellules. «Nous pouvons voir tous ces comportements thermodynamiques étranges, qui sont totalement intuitifs si vous êtes une bactérie ou une protéine, mais tout simplement inutile si vous êtes un gros morceau de viande comme nous», dit-il.
Raúl Rica à l'Université de Grenade en Espagne dit que le nouveau moteur n'a pas une application technologique immédiate, mais elle pourrait aider les chercheurs à comprendre plus profondément les systèmes biologiques. C'est également une réussite technique, explique Loïc Rondin à l'Université Paris-Saclay en France. L'équipe pourrait explorer de nombreuses propriétés inhabituelles du monde microscopique avec un design relativement simple, dit-il.
«Nous avons une énorme simplification de ce qui serait un système biologique où nous pouvons faire des tests pour valider une théorie», explique Rondin. À l'avenir, l'équipe veut utiliser le moteur de cette manière, par exemple pour modéliser la façon dont l'énergie d'une protéine change lorsqu'elle se replie.
