Читать «Журнал «Компьютерра» N7 от 20 февраля 2007 года» онлайн - страница 16

За сто сорок лет со дня рождения первого демона о нем и его брате были написаны горы ученых трудов, приведена уйма всевозможных проектов вечных двигателей и доказательств их неосуществимости. Интеллектуальные демоны стимулировали поиск связи между термодинамикой, законом возрастания энтропии, информацией и компьютерными вычислениями. Много об этой связи спорят и ныне.

А пока продолжаются споры, современные коллеги Максвелла по университету в подарок к демоническому юбилею практически реализовали молекулярный аналог демона давления. Сразу отметим, что этот демон питается светом и никак не нарушает второго начала. Авторы назвали его молекулярным информационным храповиком на том основании, что в нем «используется информация о положении частицы для управления ее перемещением от положения равновесия».

Демон изготовлен в виде сложной молекулы со структурой ротаксана. Молекула имеет форму гантели с кольцом вокруг ручки, которое может крутиться и перемещаться вдоль нее взад и вперед. Утолщения по краям не дают кольцу соскочить, а на ручке есть две крайние позиции, в которых положения кольца сравнительно устойчивы. Для реализации демона была синтезирована специальная молекула. Ее кольцо может поглощать свет с длиной волны 350 нм, а ручка посередине может изгибаться, запирая кольцо с одной из сторон. Кроме того, две половины ручки гантели по-разному реагируют на передачу энергии от поглощенного кольцом фотона. Если кольцо слева, энергии фотона хватает на то, чтобы «открыть» ручку гантели; если справа - нет. Это неравенство и создает «храповой механизм».

Большие молекулы-демоны плавают в сложном растворе и постоянно бомбардируются окружающими молекулами вследствие теплового броуновского движения. От постоянных ударов ручка молекулы время от времени открывается и запирается, а кольцо вращается и скользит по ручке, если она открыта, взад и вперед. В результате образуется некое равновесное распределение молекул по состояниям, с некоторой вероятностью нахождения кольца справа и слева и с определенной пропорцией открытых и закрытых ручек гантели.

Если теперь осветить раствор, то состояние молекул отклонится от равновесия - вырастет вероятность нахождения кольца справа. Дело в том, что если кольцо находилось слева и было заперто, то поглощенный фотон «откроет» ручку, дав возможность кольцу перепрыгнуть направо при подходящем ударе. А если кольцо было справа и тоже заперто, энергии фотона уже не хватит, и ничего не изменится.

Неравновесные молекулы уже можно использовать для выполнения какой-нибудь полезной работы. При этом фактически будет использована тепловая энергия броуновского движения. А поглощенные в устройстве фотоны пойдут на несимметричное открытие ручек гантелей - пищу для демона (конечно, может быть, проще было использовать фотоны и напрямую, но тут уж важна демонстрация принципа).

Авторы надеются, что подобные сложные молекулярные конструкции и замысловатые механизмы их работы могут быть эффективны при выполнении некоторых задач. Удается же это делать природе и без всяких демонов - например, в белковых двигателях бактерий, которые эффективно преобразуют химическую энергию в механическую работу. ГА