Британские ученые воссоздали мысленный эксперимент, предложенный физиком Джеймсом Максвеллом в XIX веке, и разработали технологию, которая может найти применение в фармацевтической отрасли. В настоящее время для получения фармацевтически чистого действующего вещества требуется удаление ферментов, примесей и других компонентов, используемых при производстве лекарственных препаратов. Данные химические процессы очистки потребляют значительное количество энергии. Разработанная система отличается существенно меньшими затратами энергии.
Для понимания закономерностей и сил, определяющих функционирование мировой экономики, исследователи часто использовали мысленные эксперименты, в которых в качестве участников выступали демоны, дьяволы, големы и джинны.
Эти вымышленные существа не являются продуктом суеверий ученых или результатом псевдонаучных теорий, а скорее представляют собой своего рода полезные аллегории, которые сыграли значительную роль в развитии современной науки.
В 1867 году шотландский физик Джеймс Максвелл представил свою революционную работу, в которой объединил электричество, магнетизм и оптику в единую теорию ( James Maxwell), стремясь разобраться в статистическом поведении частиц газа, он представил мысленный эксперимент, в котором «действует» одна из таких демонов. Этот демон контролировал проход в герметичном контейнере, заполненном газом, определяя, какие молекулы могут переходить из одной его части в другую.
Демон Максвелла позволял быстрым горячим молекулам перемещаться в один отсек сосуда, а медленным холодным — в другой. В результате молекулы во всем сосуде разделялись: температура в одном отсеке повышалась, а в другом понижалась.
Разделение молекул приводило к тому, что средние скорости частиц становились различными. Так как температура определяется средней скоростью частиц, демон вызывал возникновение разницы температур между двумя секциями емкости.
Действия демона Максвелла приводили к упорядочиванию молекул, что, в свою очередь, снижало энтропию системы. Это противоречит второму закону термодинамики, в соответствии с этим законом, тепловая энергия или тепло всегда перетекает от более горячего тела к более холодному. Самостоятельный перенос тепла от более холодного тела к более горячему невозможен без затраты энергии на его перемещение в обратном направлении.
Чуть позже физики нашли решение этого парадокса успешно моделировали мысленный эксперимент Максвелла в лаборатории на разных объектах, в основном на микроуровне. При этом соблюдался второй закон термодинамики, поскольку демон получал энергию, необходимую для сортировки, из внешнего источника.
Группа британских химиков во главе с Джонатаном Нитшке ( Jonathan Nitschke) ученые из Кембриджского университета разработали «химический насос», принцип работы которого соответствует мысленному эксперименту Максвелла. В отличие от предыдущих попыток создания демона Максвелла, в которых исследователи стремились реализовать его на микроуровне, новая система, предложенная авторами, работает в значительно больших масштабах: она разделяет молекулы на расстоянии нескольких сантиметров, что является самым большим достижением на сегодняшний день. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Chemistry.
Химическое устройство состоит из U-образной трубки, содержащей светочувствительное вещество – орто-фторазобензол. В одном изгибе трубки находится водный раствор на основе комплекса железа, предназначенный для перемещения молекул между изгибами. Этот раствор можно сравнить с дверью, открываемой или закрываемой в мысленном эксперименте Максвелла.
Облучение одного из изгибов трубки светом с длиной волны 530 и 400 нанометров вызывало изменение орто-фторазобензола, позволяющее ему раствориться в железосодержащем растворе. Этот раствор затем транспортировал молекулы вещества ко второму изгибу. Вследствие этого, концентрация орто-фторазобензола увеличивалась во втором изгибе, в то время как в первом наблюдалось её снижение. Подобный процесс невозможен в естественных условиях, без участия исследователей. Таким образом, водный раствор на основе комплекса железа, выступающий в роли демона Максвелла, создавал градиент концентраций, используя энергию, получаемую от света.
После этого химики добавили в систему растворимый нафталин. Было установлено, что при его введении концентрация орто-фторазобензола во втором изгибе возрастала почти вдвое по сравнению с концентрацией в системе, не содержащей нафталин.
Ученые из команды Нитшке планируют воспроизвести свой эксперимент, но уже с использованием молекул иных соединений. В случае успешного повторения опыта, «химический насос» может найти применение в фармацевтике для очистки активных веществ от ферментов, примесей и прочих компонентов.
Значительные энергетические затраты на процессы химического разделения – распространенная проблема, с которой сталкиваются исследователи. В частности, в США это составляет примерно 50 процентов от общих мощностей промышленного энергопотребления . Традиционные методы химического разделения связаны с необходимостью интенсивного нагрева и охлаждения, что приводит к значительному расходу энергии. В связи с этим система, разработанная группой Нитшке, представляется весьма перспективной, поскольку для ее функционирования потребуется существенно меньше электроэнергии.