Um motor de Stirling microscópico, quente como o núcleo do Sol, pode expor novos extremos da termodinâmica

Um motor minúsculo, do tamanho de uma partícula, capaz de operar em temperaturas que se aproximam do núcleo mais interno do Sol pode ajudar a investigar os limites mais extremos da termodinâmica em escalas microscópicas.

Ao levitar uma única partícula de sílica no vácuo e submetê-la a temperaturas sintéticas superiores a 10 milhões de kelvin (10 milhões de °C ou 18 milhões de °F), físicos construíram um motor de Stirling microscópico - não para movimentar uma micro-máquina, mas para aprofundar a compreensão da física do calor e da energia.

De forma surpreendente, o mesmo arranjo também lança luz sobre processos microscópicos complexos que acontecem dentro do nosso corpo.

“Esta plataforma experimental mostra grande potencial para simular e explorar não só altas temperaturas, mas também o cenário termodinâmico biologicamente relevante de difusão dependente da posição”, escreve uma equipa liderada pela física Molly Message, do Colégio do Rei, em Londres.

“A difusão dependente da posição é essencial para compreender, por exemplo, o dobramento de proteínas e o transporte de massa em contextos biológicos.”

O que é um motor de Stirling microscópico (motor de Stirling)

Um motor de Stirling funciona ao aquecer e arrefecer um gás ou fluido selado, fazendo-o expandir e contrair em ciclos repetidos, convertendo calor em energia mecânica. A versão microscópica é um análogo em miniatura: baseia-se nos mesmos princípios, mas opera numa escala de micrómetros.

A partícula de sílica levitada no vácuo e o ciclo de aquecimento/arrefecimento

Message e os colegas montaram o motor em torno de uma partícula esférica de sílica com apenas 4,82 micrómetros de diâmetro - uma pequena fração da largura de um fio de cabelo humano. Essa partícula foi mantida levitando num tipo de armadilha feita com campos elétricos, que permite pequenos “sacolejos”, mas impede que ela escape.

Para simular o aquecimento, a equipa aplicou ruído elétrico à partícula, reproduzindo temperaturas até 13 milhões de kelvin - muito acima dos 5,800 K da superfície do Sol e aproximando-se dos 15 milhões de K do seu núcleo.

É importante notar que se tratam de temperaturas efetivas (não físicas): o ruído elétrico imposto ao sistema faz a partícula de sílica agitar-se exatamente como se estivesse sob condições térmicas de até 13 milhões de K.

Ao mesmo tempo, o ambiente “frio” em torno da partícula permaneceu cerca de 100 vezes mais baixo - um contraste térmico impraticável num motor de Stirling real - o que abriu caminho para testar a termodinâmica muito além do que seria possível em escala macroscópica.

Flutuações, segunda lei da termodinâmica e eficiências acima de 100%

Isso ocorre porque, em escalas microscópicas, a segunda lei da termodinâmica só se aplica às médias. Assim, podem surgir instantes que parecem violar a lei - como uma flutuação muito grande ou uma eficiência aparentemente acima de 100% -, mas, ao fazer a média de tudo, o comportamento global volta a alinhar-se com o esperado.

Na prática, o ciclo foi executado começando pelo “aquecimento” via ruído. Em seguida, os investigadores ajustaram a armadilha elétrica para permitir que a partícula se agitasse mais, correspondendo à fase de expansão do ciclo de Stirling. Depois, na fase de contração, o ruído era desligado para que a partícula “arrefecesse”, e a armadilha era novamente ajustada para reduzir a agitação.

Para observar o comportamento com detalhe, cada ensaio foi repetido por entre 700 e 1,400 ciclos. Nesse processo, os cientistas registaram enormes flutuações na troca de calor e também períodos curtos em que a partícula parecia realizar mais trabalho do que o calor que consumia, mostrando temporariamente uma eficiência acima de 100%.

Segundo os autores, isso é uma consequência da aleatoriedade de curto prazo e das flutuações gigantes de calor e energia quando se trabalha em escalas tão pequenas - portanto, não é um resultado inesperado.

Difusão dependente da posição e o que isso sugere para sistemas biológicos

O ponto mais intrigante, porém, foi que a partícula não se movia de maneira puramente aleatória dentro da armadilha, como seria típico da difusão normal num ambiente uniforme; em vez disso, o tipo de movimento dependia da posição que ela ocupava na armadilha.

Quando a temperatura e a consistência de um meio variam, isso modifica a forma como as partículas se deslocam através dele - um efeito conhecido como difusão dependente da posição.

Esse fenómeno é relevante em sistemas biológicos, onde partículas interagem com membranas, fluidos e tecidos. Por isso, a configuração criada pela equipa pode servir para investigar questões como o transporte de fármacos no corpo.

A partir daqui, o grupo pretende levar o motor de Stirling microscópico ainda mais para fora do equilíbrio, para explorar a física incomum e flutuante que governa movimento e energia nas menores escalas.

A pesquisa foi publicada em Cartas de Revisão Física.