工業革命是從對熱與動力的關係開始, 因為發現了怎麼把熱有系統的轉成機械能, 於是熱機開始推動了各種機器, 把人從勞力中解放, 才讓人類的社會進入了一個新的時代. 傳統的熱機基本原理是經由熱機中介質的膨脹收縮, 把能量由熱的流動中擷取能轉換成機械能的部分來使用. 但是這樣的熱流動跟機械能的轉換其實發生在更多地方, 不是只有像引擎那樣的設計才能做到. 其中有一類的運動是因為不均勻加熱而讓物體表面產生流體的運動, 當這樣的效應以微觀層次來看的時候, 只有一個粒子放在流體裡, 溫度梯度讓小粒子開始跟表面的流體有相對堆進, 就會看到所謂的熱泳動現象- 粒子會在溫度梯度中運動 - 這個過程同樣是由熱流來產生機械能.
利用這樣的原理, 影片中設計出一種單邊鍍金的玻璃小球, 大小只有萬分之一公分. 因為照射光之後, 鍍金的那邊會因為吸收光而被加熱 (就像陽光下金屬會很燙一樣), 所以會讓周圍的液體開始往鍍金那方向流動, 粒子自己則往沒有鍍金的方向跑. 利用這種效應, 只要把兩顆這樣的粒子接在一起, 就變成了一個小旋轉引擎, 只要一照光就不停的旋轉. 影片中可以看到旁邊沒有固定的粒子正在做布朗運動, 而被固定住的小馬達 (有一半黑黑的粒子) 也因為布朗運動而不停的前後擺. 當一照光之後, 固定的粒子開始旋轉, 因為熱梯度產生的液體流動也把那些晃動的粒子吹開, 這實驗證實了這樣的效應存在, 只要好好設計也有很大的效果. 這研究雖然設計簡單, 但卻是貨真價實的熱引擎, 或許一些微小機械設計有一天都能基於這樣的熱功原理被做出來. 其實在自然界的生物中, 各種生物分子也不停的消耗能量並轉換成各種分子運動, 或許是細胞骨骼的變動,或許是酵素的催化震動. 也許過不了多久, 熱機的概念跟粒子的非平衡運動就會走到跟生物分子相遇的那天了!
八月紀念特集: 屬於scimage的故事 - 非平衡軟物質 目錄
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