Maxwells demon är en maskin som föreslogs av James Clerk Maxwell 1867. Den hypotetiska maskinen skulle använda termiska fluktuationer för att få energi, uppenbarligen bryter mot termodynamikens andra princip. Nu, forskare vid universitetet i Barcelona har presenterat den första teoretiska och experimentella lösningen av en kontinuerlig version av Maxwells demon i ett enda molekylsystem. Resultaten, publiceras i tidskriften Naturfysik , har applikationer inom andra områden, såsom biologiska system och kvantsystem.

"Trots sin enkelhet och den stora mängden arbete på fältet, denna nya variant av den klassiska Maxwell-demonen har förblivit outforskad tills nu, " konstaterar Fèlix Ritort, professor från Institutionen för grundläggande fysik vid UB. "I den här studien, vi introducerade ett system som kan extrahera stora mängder arbete godtyckligt per cykel genom upprepade mätningar av ett systems tillstånd."

Att hitta det gynnsamma ögonblicket

Att vänta på ett sådant gynnsamt tillfälle att få förmåner är samma beteendemönster som en spekulant som väntar på rätt ögonblick på börsen, eller ett rovdjur som väntar på att ett byte ska komma nära. "Ur termodynamisk synvinkel, att en viss intuitiv aspekt av att försöka leta efter det rätta ögonblicket är det som tar mer energi. Svaret är om det är möjligt att få samma energi från det gynnsamma ögonblicket än det omvända i sökandet, dvs genom en termodynamiskt reversibel process, " konstaterar Marco Ribezzi, forskare vid UB och School of Industrial Physics and Chemistry (ESPCI Paris/CNRS).

"Våra experiment visar att det är möjligt att hitta rätt ögonblick, och inte särskilt vanligt på samma gång, och att använda den på ett reversibelt sätt. Dessa resultat visar den underliggande termodynamiska strukturen till ett allmänt problem som kan hitta många tillämpningar, till exempel, inom området biologi, " konstaterar Ribezzi.

Enligt forskarna, den nya versionen av Maxwells demon kan få konsekvenser i självorganisering och urvalsprocesser som sker under biologisk evolution. Till exempel, denna enhet kan vara relevant för reglering av biologiska nätverk i generation, överföring och överföring av signaler genom cellmembran.

De experimentella testerna har utförts i ett system av optisk pincett, som möjliggör manipulering av en molekyl varje gång, i detta fall en DNA-molekyl. Med rätt kraft på denna struktur, det är möjligt att veckla ut det, men om kraften är tillräckligt liten, det ovikta tillståndet blir sällsynt, så den hittar det exakta ögonblicket den letade efter. När molekylen är i ett sällsynt tillstånd, den har mer energi och det går att använda den. "Ju sällsyntare avsnittet är, desto svårare för oss att hitta det, men ju mer energi vi kan få av det, " konstaterar Ribezzi.

"Den levande materiens häpnadsväckande komplexitet kunde ses som resultatet, över flera evolutionära tidsskalor, av en stor process av energiutvinning i lämpliga miljöer för att lagra stora mängder information som döljs av brus och slumpmässighet, avslutar Ritort, även medlem av Bioteknik, Nätverk för biomaterial och nanomedicin Biomedicinskt forskningscentrum (CIBER-BBN).