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. 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. 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.