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麦克斯韦妖妖踪初现 |
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| 麦克斯韦妖妖踪初现 |
| 物理教育网 www.wuli.com.cn 文章来源：本站原创 发表时间：2007-11-14 9:50:37 阅读次数： |
近日苏格兰研究人员宣布，他们成功地制造出了一个分子机械，可以破坏一个系统的热平衡。这个以光为能源的分子装置可以传送分子，其运行原理非常类似于140年前麦克斯韦的著名构想——“麦克斯韦妖”（原文发表于Nature 445 523）
在自然界中，打破化学系统热力学平衡的分子机构广泛地存在于生命体的主要生化过程之中。然而，当科学家们试图制造出相似的人造机构时却困难重重，迄今为止他们造出的纳米尺度的装置仅能通过开关使某一系统渐趋热平衡。
最近，爱丁堡大学的David Leigh和同事发现应用“信息棘齿”控制粒子的运动可以使系统偏离热平衡。在实验中他们用到了一种叫作“Rotaxane”的物质，这是一种在带有长链的分子上套入环状化合物的特殊络合物，小环可以在长链上滑动，长链上有一个类似开关的结构可以限制小环的运动。当Rotaxane被光线照射后，小环吸收光子并将能量传递给开关，开关的形状临时发生改变，让小环通过。但是一旦小环通过，它就不能再向开关传递能量，它被棘齿卡在了另一端。
这个过程与麦克斯韦140年前的著名构想，后来被称为“麦克斯韦妖”的假想实验很相近。麦克斯韦是这样构想的，仅被一条狭窄通道相连的两个各自独立的空间中充有处于热平衡的气体。如果有一个小妖精在狭道上充当看门人的角色，它只让快速的分子向一个方向通过，让慢速分子向另一个方向通过。经过一段时间后这两个空间就会产生温差，如果这个小妖存在的话，热力学第二定律就要改写。
其实麦克斯韦的构想有一个漏洞，那就是如果小妖能够控制门的开关，它就必须消耗能量。因此即便创造出了这个妖精，热力学第二定律也不会受到威胁。在爱丁堡的这个实验系统中，小妖动力就来自光能。Leigh说，将他们的系统与麦克斯韦妖构想比较，两个隔绝空间好比Rotaxane的两端，妖精就是Rotaxane上的单向开关。在吸收了光能后，Rotaxane就具有了将系统驱离平衡的功能，这个功能与生物体的一些功能有相近之处。比如，当某离子附着于小环时，通过吸收光能，就可以实现离子由低浓度到高浓度的逆向扩散，而这种逆向扩散是维持生命体的一种基本过程。Leigh还补充说：“从化学的角度我们清楚地了解这种分子运动（逆向扩散）是一个吸收能量的过程，这点有助于我们理解为何信息棘齿必须有能量输入才能工作。”
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| 文章录入：yuetaolin 责任编辑：吴欠儿 |
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