Klassiek gedachte-experiment komt tot leven in granulair gas
17 juni 2010
Onderzoekers van de Universiteit Twente, de Universiteit van Patras in
Griekenland en de Stichting FOM hebben een idee uit 1912 nu, bijna een
eeuw later, voor het eerst experimenteel gerealiseerd.
In 1912 bedacht de fysicus Smoluchowski een prototype voor een motor op
moleculaire schaal, waarbij hij de Brownse beweging op een slimme
manier dacht om te zetten in arbeid. De onderzoekers hebben dit
apparaat nu op de veel grotere schaal van een granulair gas gebouwd.
Niet alleen is dit de eerste geslaagde verwezenlijking van
Smoluchowski's ontwerp, de onderzoekers laten tevens zien dat er een
intrigerende wisselwerking plaatsvindt tussen de wieken van de motor en
het granulaire gas: als de wieken eenmaal aan het roteren gebracht
zijn, induceren ze op hun beurt een draaiende beweging in het gas, een
zogeheten convectierol, die de beweging van het apparaat versterkt en
een vrijwel continue rotatie mogelijk maakt. FOM-promovendus Peter
Eshuis en zijn collega's publiceren hun resultaten vanavond online in
het gerenommeerde tijdschrift Physical Review Letters.
Motoren op moleculaire schaal
Motoren op moleculaire schaal, zoals die welke verantwoordelijk zijn
voor het spannen en ontspannen van je spieren, bewegen op een vreemde
manier: ze ploegen zich voort ondanks -of dankzij - een aanhoudend
bombardement van de willekeurige beweging van de moleculen in hun
omgeving, de zogeheten Brownse beweging. Moleculaire motoren bewegen
vooral 'dankzij' deze Brownse beweging van de deeltjes in hun omgeving,
want een goed geconstrueerde motor op nanoschaal maakt juist gebruik
van het bombardement om een doelgerichte beweging (en daarmee arbeid)
te genereren.
Een klassiek voorbeeld van een dergelijke motor is het in 1912 door de
fysicus Marian Smoluchowski als gedachte-experiment geïntroduceerde
apparaat dat te zien is in figuur 1. Het bestaat uit een stel op een as
gemonteerde wieken, die onder invloed van het moleculaire bombardement
in beweging worden gezet. Omdat deze beweging in beide draairichtingen
zal plaatsvinden, bedacht Smoluchowski een tweede element, een
asymmetrisch tandwiel, met de bedoeling dat dit ervoor zou zorgen dat
de as slechts in één richting kon roteren en daardoor arbeid zou kunnen
verrichten, bijvoorbeeld een gewichtje omhoog takelen. In 1963 toonde
Richard Feynman echter aan dat de tweede hoofdwet van de thermodynamica
het apparaatje verhindert te werken in een systeem dat in thermisch
evenwicht verkeert, en daarmee leek het gedachte-experiment van de
baan.
Figuur 1
Figuur 1. Het gedachte-experiment van Smoluchowski met rechts de
wieken, links het tandwiel en in het midden een katrol met gewichtje.
Inzet: onze granulaire demonstratie-opstelling.
Maar het door Feynman geformuleerde bezwaar geldt niet in een systeem
dat zich ver van thermisch evenwicht bevindt, zoals een granulair gas.
Onderzoekers van de Universiteit Twente, de Universiteit van Patras en
de Stichting FOM zijn er onlangs in geslaagd aan te tonen dat het
gedachte-experiment van Smoluchowski in deze omgeving zijn werk
uitstekend doet, zoals te zien is in het experiment in figuur 2.
Figuur 2
Figuur 2. Het gedachte-experiment komt tot leven in een granulair gas:
links de experimentele opstelling en rechts het apparaat in werking.
Brownse beweging
Stel je voor dat je met je auto door een storm rijdt met hagelstenen zo
groot als voetballen. Iedere keer dat zo'n hagelsteen je raakt word je
met een klap naar voren, naar achteren of opzij geduwd, met als
resultaat dat je als een dronkeman over de weg voortbeweegt. Een ver
gezocht voorbeeld? Niet op moleculaire schaal: daar bewegen (door de
voortdurende botsingen met moleculen) alle deeltjes op deze manier, die
bekend staat als de Brownse beweging.
Granulair gas
Door een bak met kogeltjes met behulp van een trilapparaat heftig te
schudden gaan de kogeltjes dusdanig hard bewegen dat een ijl gas van
kogeltjes ontstaat, dat in veel opzichten vergelijkbaar is met de
moleculaire gastoestand. Het grote verschil met een moleculair gas is
echter dat wanneer je stopt met schudden, de deeltjes in zeer korte
tijd hun energie verliezen en roerloos op de bodem van de bak komen te
liggen. Dit is een gevolg van het feit dat er in iedere botsing tussen
twee kogeltjes een beetje bewegingsenergie verloren gaat. Er is dus een
voortdurende energietoevoer noodzakelijk om het granulaire gas in stand
te houden, en het is deze eigenschap die dit gas bestempelt tot een
systeem dat zich ver van thermisch evenwicht bevindt.
Filmmateriaal van het experiment in actie is te vinden op:
http://stilton.tnw.utwente.nl/dryquicksand/ratchet/ratchet.html
Meer informatie
Wilt u meer informatie over dit onderzoek? Neem dan contact op met
Devaraj van der Meer, d.vandermeer@utwente.nl of Detlef Lohse,
d.lohse@utwente.nl, tel. (053) 489 8076.
Universiteit Twente