Компьютерра, 2007 № 07 (675) - страница 11

Химики из Эдинбургского университета в Великобритании впервые синтезировали «молекулярный информационный храповик», который, как утверждается, реализует принцип работы знаменитого демона Максвелла. Это устройство претендует на реализацию существенно нового механизма работы искусственных молекулярных машин. Оно функционирует, стремясь увести систему от состояния термодинамического равновесия, подобно эффективным молекулярным машинам живых организмов.

В декабре 1867 года Джеймс Клерк Максвелл в письме к коллеге впервые описал мысленный эксперимент со своим демоном — миниатюрным созданием, способным нарушить фундаментальный закон природы — Второе начало термодинамики. Демон управлял маленькой дверкой между двумя сосудами с газом. Он ее открывал, если справа к дверце подлетала быстрая молекула, и закрывал, если подлетала медленная. С молекулами, летящими из левого сосуда, демон поступал наоборот. В результате слева скапливались быстрые молекулы — газ нагревался, а справа — холодные, и газ остывал. Благодаря перепаду температур (а в равновесии температура газа в обоих сосудах должна быть одинаковой), можно запустить тепловую машину и получить вечный двигатель, разумеется, при условии, что демон потребляет достаточно мало энергии. Спустя восемь лет к демону температуры был добавлен более тупой младший брат — демон давления. Он просто пропускал все молекулы справа налево, но не пускал слева направо. Давление слева росло, и на его перепаде тоже можно запустить двигатель.

За сто сорок лет со дня рождения первого демона о нем и его брате были написаны горы ученых трудов, приведена уйма всевозможных проектов вечных двигателей и доказательств их неосуществимости. Интеллектуальные демоны стимулировали поиск связи между термодинамикой, законом возрастания энтропии, информацией и компьютерными вычислениями. Много об этой связи спорят и ныне.

А пока продолжаются споры, современные коллеги Максвелла по университету в подарок к демоническому юбилею практически реализовали молекулярный аналог демона давления. Сразу отметим, что этот демон питается светом и никак не нарушает второго начала. Авторы назвали его молекулярным информационным храповиком на том основании, что в нем «используется информация о положении частицы для управления ее перемещением от положения равновесия».

Демон изготовлен в виде сложной молекулы со структурой ротаксана. Молекула имеет форму гантели с кольцом вокруг ручки, которое может крутиться и перемещаться вдоль нее взад и вперед. Утолщения по краям не дают кольцу соскочить, а на ручке есть две крайние позиции, в которых положения кольца сравнительно устойчивы. Для реализации демона была синтезирована специальная молекула. Ее кольцо может поглощать свет с длиной волны 350 нм, а ручка посередине может изгибаться, запирая кольцо с одной из сторон. Кроме того, две половины ручки гантели по-разному реагируют на передачу энергии от поглощенного кольцом фотона. Если кольцо слева, энергии фотона хватает на то, чтобы «открыть» ручку гантели; если справа — нет. Это неравенство и создает «храповой механизм».

Большие молекулы-демоны плавают в сложном растворе и постоянно бомбардируются окружающими молекулами вследствие теплового броуновского движения. От постоянных ударов ручка молекулы время от времени открывается и запирается, а кольцо вращается и скользит по ручке, если она открыта, взад и вперед. В результате образуется некое равновесное распределение молекул по состояниям, с некоторой вероятностью нахождения кольца справа и слева и с определенной пропорцией открытых и закрытых ручек гантели.

Если теперь осветить раствор, то состояние молекул отклонится от равновесия — вырастет вероятность нахождения кольца справа. Дело в том, что если кольцо находилось слева и было заперто, то поглощенный фотон «откроет» ручку, дав возможность кольцу перепрыгнуть направо при подходящем ударе. А если кольцо было справа и тоже заперто, энергии фотона уже не хватит, и ничего не изменится.

Неравновесные молекулы уже можно использовать для выполнения какой-нибудь полезной работы. При этом фактически будет использована тепловая энергия броуновского движения. А поглощенные в устройстве фотоны пойдут на несимметричное открытие ручек гантелей — пищу для демона (конечно, может быть, проще было использовать фотоны и напрямую, но тут уж важна демонстрация принципа).