Zvětšit obrázek

Maxwellův démon potkává rotaxan.

Skotský fyzik James Clerk Maxwell v roce 1867 vytvořil lišácký myšlenkový experiment. Vymyslel zlobivého démona, který zlomyslně porušuje druhý termodynamický zákon. Tento zákon stručně řečeno praví, že se tepelná energie samovolně nemůže přeměňovat na energii mechanickou. Maxwellův démon využívá toho, že se molekuly čas od času samy od sebe urychlují a takové rychlejší, čili teplejší molekuly loví a shromažďuje, aniž ho to stojí nějakou energii. Je to vlastně démonické perpetuum mobile druhého druhu, Takový démon by mohl malá a náhodná porušování druhého termodynamického zákona sčítat a nakonec třeba převádět na mechanickou práci.

Zvětšit obrázek

Schéma rotaxanu.

Sám Maxwell to celé myslel jako úmyslnou hloupost dokládající, že druhý termodynamický zákon nejde obejít a slovo démon vlastně nepoužil. Takto tuto bytost nazval nejspíš až lord Kelvin v roce 1874. Maxwellův démon se každopádně skvěle uchytil v popkultuře a popularizátoři fyziky jsou za něj Mawellovi a Kelvinovi dodnes neskonale vděční. Vystupuje v mnohých příbězích, knihách, pronikl na prkna divadel i na televizní obrazovku. Český čtenář ho nejspíš bude znát jako šviháckého tenistu z Gamowova Pana Tompkinse v říši divů.

Zákony termodynamiky provokují generace snílků, kteří se nehodlají smířit s jejich železnými okovy. I Maxwellův démon je neustále vyvoláván, zatím však s bídným výsledkem. Teď ale svitla naděje. Těžko říct, jestli by Maxwell měl radost anebo ne, ale jeho démon je na světě. Zůstává skotským fenoménem, vyvolal ho tým nanotechnologů z University of Edinburgh v čele s Davidem Leighem. Jejich nanostroječek dokáže chytit a uvěznit molekuly pohybující se určitým směrem.

Zvětšit obrázek

Maxwellův démon v akci. Pustí jenom rychlejší molekuly.

Fyzika se ovšem nemusí třást základech. Už Maxwell tvrdil, že pokud by snad někdy takového něco fungovalo, muselo by to být poháněné energií. To nový skotský Maxwellův démon vskutku je a proto druhý termodynamický zákon neporušuje.

Zvětšit obrázek

Maxwell James Clark (1831-1879) Maxwell v nauce o elektřině a magnetismu sehrál podobnou úlohu jako Isaac Newton v mechanice. Vytvořil jednotný vědní obor, který nazýváme teorií elektromagnetického pole.

Na perpetuum mobile si tedy ještě budeme muset nějaký čas počkat. Leighův démon pracuje na světelnou energii. Jeho nanostroje jsou vlastně proteinové rotaxany, prstencové molekuly navlečené na osu. Pomocí světla se autorům podařilo během pár minut vychýlit miliardy takových nanomašinek z termodynamické rovnováhy.

Rotaxany mají před sebou zářnou budoucnost. Asi nejméně zajímavé aplikace je plánují využít jako extrémně trvanlivá barviva. Mnohem víc sci-fi je jejich možné praktické uplatnění v molekulární elektronice, kde by měly sloužit jako základní logické prvky.

V souvislosti s rotaxany se také mluví o takzvaných molekulárních svalech. Teď i rotaxany jako Maxwellovi démoni, byť vlastně falešní, přinášejí další fascinující možnosti pro technologie 21. století. Maxwell měl loni 175 výročí svého narození v Edinburghu, nová studie je tedy kromě pozoruhodného objevu také milým dárečkem.

Pramen:  Nature 445, 523-527, Wikipedia, Vesmír 81: 613-615.