2024-06-29 22:54 来源：本站编辑
最近的技术进步使SFU物理学教授John Bechhoefer和David Sivak能够创建一个可操作的信息引擎，探索其利用未使用分子能量的潜力。他们的研究得到了基础问题研究所的支持，不仅为提高能源效率提供了见解，而且扩大了我们对生物马达的理解。该团队的发现强调了将分子运动转化为可用功的可能性，可能会彻底改变能量利用和发动机设计。(艺术家的概念)。来源:SciTechDaily.com
研究人员已经开发出一种信息引擎将分子运动转化为工作，提供了提高能源效率和理解生物系统的新方法。
构成我们周围物质的分子在不停地运动。如果我们能驾驭这种能量并加以利用呢?
150多年前，麦克斯韦提出了一个理论，如果分子的运动可以被精确地测量出来，那么这个信息就可以用来为发动机提供动力。直到最近，这还只是一个思想实验，但技术上的突破已经使在实验室中构建工作信息引擎成为可能。
在基础问题研究所的资助下，SFU物理学教授John Bechhoefer和David Sivak合作建立了一个信息引擎并测试了它的极限。他们的工作极大地促进了我们对这些引擎如何运作的理解，由博士后研究员Johan du Buisson领导的一篇论文最近发表在《物理学进展:X》上，总结了他们合作期间的发现。
“我们生活在一个充满了额外的未使用能源的世界，这些能源有可能被利用，”贝霍夫说。了解信息引擎的运作方式不仅可以帮助我们将这些能量投入工作，还可以建议重新设计现有引擎以更有效地利用能量的方法，并帮助我们了解生物马达如何在生物体和人体中工作。
该团队的信息引擎由水浴中的一个小珠子组成，这个小珠子被一个光学陷阱固定在适当的位置。当水的波动导致水珠向期望的方向移动时，可以调整捕集器以防止水珠回到原来的位置。通过精确测量水珠的位置，并利用这些信息来调整捕集器，发动机能够将水的热能转化为功。
为了了解发动机的速度和效率，该团队测试了多个变量，如胎头的质量和采样频率，并开发了算法来减少测量的不确定性。
西瓦克说:“从最简单的本质上讲，我们可以系统地理解温度和系统大小等因素是如何改变我们可以利用的东西的。”“什么策略最有效?”它们是如何随着这些不同的属性而变化的?”
该团队能够实现迄今为止信息引擎记录的最快速度，大约是大肠杆菌速度的十倍，与海洋环境中发现的活动细菌的速度相当。
接下来，该团队想要了解信息引擎是否能获得比运行成本更高的能量。“在均衡状态下，这总是一场失败的游戏，”贝霍夫说。“收集和处理信息的成本总是会超过你从中得到的，但当你有一个有额外能量的环境时，(分子)会做额外的抖动，那么如果它足够强大，就会改变平衡。”
他们发现，在非平衡环境中，即发动机处于比测量设备温度更高的热浴中，它可以输出比运行成本高得多的功率。
地球上所有的能量都来自太阳，并最终辐射到太空中。这种定向的能量流以许多不同的方式表现出来，比如可以收集的风或洋流。了解信息引擎背后的原理可以帮助我们更好地利用这种能量。
“我们从一个非常不同的角度来研究(能量收集)，我们希望这个不同的角度可以带来一些关于如何提高效率的不同见解，”Bechhoefer说。
这对搭档期待着在未来的其他项目上合作。“我们很幸运能一起获得联合资助。这对合作真的很有帮助。”
理论物理学家西瓦克和实验物理学家贝霍夫在他们的工作中采用了互补的方法，他们已经能够吸引那些想要同时与他们合作的学员。西瓦克说:“在指导和领导团队方面，我们有不同的风格。“我们的学生和博士后可以从这两种方法中受益。”
参考文献:“信息引擎的性能限制”由Johan du Buisson, David A. Sivak和John Bechhoefer, 2024年5月21日，物理学进展:X. DOI: 10.1080/23746149.2024.2352112
