Группа британских учёных реализовала мысленный эксперимент физика XIX века Джеймса Максвелла и разработала систему, которая может быть полезна в фармацевтике. Для получения чистого действующего вещества сегодня молекулы, из которых оно состоит, необходимо очистить от ферментов, смесей и других компонентов, используемых при изготовлении лекарства. Эти химические разделения требуют огромного количества энергии. Новая система значительно меньше расходует энергию.
Изучение работы компьютерной техники, а также взаимосвязей рыночных отношений, определяющих мировую экономику, зачастую подталкивало исследователей к мысленным экспериментам с участием демонов, дьяволов, големов и джиннов для постижения закономерностей и сил, управляющих этими процессами.
Эти выдуманные создания служат не проявлениями предубеждений учёных или плодом ложных научных концепций, а образцами ценной метафоры, имеющих значение для развития современной науки.
В 1867 году шотландский физик Джеймс Максвелл предложил… James MaxwellПопытка понять статистическое поведение частиц газа привела к постановке мысленного эксперимента с участием одной из таких частиц. демоновДемон регулировал проход молекул между частями герметичного сосуда, заполненного газом.
Демон Максвелла направлял быстрые и горячие молекулы в один сектор сосуда, а медленные и холодные – в другой.
Разделение молекул привело к возникновению разной средней скорости частиц в каждой части емкости. Поскольку температура прямо пропорциональна средней скорости частиц, демон вызвал разницу температур между частями емкости.
Действия Максвелла приводили к упорядочиванию молекул, что снижало энтропию системы. второму закону термодинамикиЭто утверждение гласит, что тепловая энергия передаётся с горячего объекта на холодный, но не может естественным образом переходить с холодного на горячий без затраты энергии для её перемещения в обратном направлении.
Чуть позже физики разрешили этот парадокс. успешно моделировалиМаксвелл провёл мыслительный эксперимент в лабораторных условиях на различных предметах. на микроуровнеВторой закон термодинамики системой не нарушался. Демон получал энергию для сортировки из внешнего источника.
Группа британских учёных во главе с Джоном Ницше… Jonathan NitschkeУченые из Кембриджского университета разработали «химический насос», работающий по принципу мысленного эксперимента Максвелла. В отличие от предыдущих экспериментов с демоном, которые проводились на микроуровне, новая система действует на значительно больших масштабах, разделяя молекулы на расстоянии нескольких сантиметров — наибольшее за сегодняшний день. Результаты исследования… опубликованы в журнале Nature Chemistry.
Химическое устройство имеет форму буквы «U» и заполнено светочувствительным веществом — орто-фторазобензолом. Один изгиб трубки наполнен раствором железа, который перемещает молекулы в другой изгиб. Такой раствор подобен демону, открывающему или закрывающему дверцу в мысленном эксперименте Максвелла.
Облучение светом одного изгибов трубки длиной волны 530 и 400 нанометров вызывало изменение орто-фторазобензола, позволяющее ему растворяться в железистом растворе. Раствор переносил молекулы вещества на другой изгиб трубки. Из-за этого концентрация орто-фторазобензола возрастала во втором изгибе и снижалась в первом. В естественных условиях такого явления не было бы.
В данном случае демон Максвелла, представляющий собой железистый раствор, создавал градиент концентраций под воздействием световой энергии.
Химики внесли в систему ещё один компонент — растворимый нафталин. Его добавление вызвало увеличение концентрации орто-фторазобензола во втором изгибе почти вдвое по сравнению с системой без нафталина.
Команда Нитшке планирует провести повторный эксперимент с молекулами разных веществ. При благоприятном исходе опыты с «химическим насосом» смогут применяться в фармацевтическом производстве для очищения активных веществ от ферментов, смесей и остатков компонентов.
Сегодня для процессов химического разделения исследователям приходится затрачивать много энергии: так, в Соединенных Штатах эта цифра весьма высока. Около половины общего промышленного потребления энергии. Классические способы химической сепарации нуждаются в сильном нагреве и охлаждении, поэтому очень затратные с точки зрения энергии. В данном контексте система группы Нитшке кажется очень перспективной, поскольку ей потребуется значительно меньшее количество электроэнергии.