Un petit moteur de la taille de particules microscopiques, fonctionnant à des températures proches de celles du noyau interne du Soleil, pourrait ouvrir une fenêtre sur les plus petits extrêmes de la thermodynamique, éclairant ainsi certains des plus grands mystères de la physique.
Un groupe de physiciens du King's College de Londres, au Royaume-Uni, a construit un moteur à l'échelle micrométrique qui, en simulant des températures de plusieurs millions de degrés Celsius, permet d'explorer les limites extrêmes de la thermodynamique. L'expérience est décrite dans une étude à paraître dans la revue Physical Review Letters.
Le moteur artificiel cherche à devenir une fenêtre sur des phénomènes qui échappent aux lois traditionnelles de la physique lorsqu'ils sont observés à l'échelle microscopique, devenant ainsi un véritable petit laboratoire pour étudier ces événements extrêmes, selon un article publié dans Science Alert.
Des températures inimaginables
Le dispositif consiste en une microsphère de silice de seulement 4,82 micromètres de diamètre, qui « lévite » dans un piège électrique situé dans un espace sous vide, que les chercheurs « chauffent » en appliquant un bruit électrique contrôlé. Ce bruit fait vibrer la particule comme elle le ferait à des températures effectives allant jusqu'à 12,9 millions de degrés Celsius, ce qui est plus chaud que la surface du Soleil et comparable aux températures qui prévalent dans le noyau solaire.
Il convient toutefois de préciser qu’il ne s’agit pas de chaleur réelle au sens conventionnel du terme : il s’agit d’une simulation statistique qui reproduit le même mouvement thermique. Dans ce scénario extrême, l’équipe scientifique a mis en œuvre un cycle de phases de « réchauffement » sonore, comprenant l’expansion, le refroidissement et la contraction du piège électrique.
Ils ont effectué entre 700 et 1 400 cycles par expérience sous ce mécanisme, techniquement appelé moteur Stirling, pour étudier en détail comment la chaleur circule et comment la microsphère réagit à cette échelle. Les résultats montrent d'énormes fluctuations : en peu de temps, la particule semble produire plus d'énergie qu'elle n'en consomme apparemment, montrant des performances spécifiques supérieures à 100 %.
Applications biomédicales
Bref, l’expérience permet d’accéder à des scénarios hors équilibre thermodynamique, pratiquement inaccessibles dans les moteurs macroscopiques. De plus, la plateforme reproduit des conditions observables dans des processus biologiques tels que le repliement des protéines ou le transport de médicaments à travers les membranes, ce qui en fait un laboratoire contrôlé pour étudier des problèmes d'intérêt biomédical.
Aujourd’hui, les scientifiques proposent d’éloigner encore plus le système de l’équilibre, en cherchant à cartographier la « zone grise » entre la thermodynamique classique et d’autres dynamiques inexplorées. Le plus pertinent est que l’expérience rend mesurable et manipulable un territoire où les lois connues n’agissent qu’en moyenne, tandis que d’autres phénomènes encore inexplicables entrent également en jeu.
