Utnyttja Brownian Motion

Små partiklar suspenderade i en vätska stöts ständigt av kollisioner med andra molekyler, vilket får dem att vicka oregelbundet på ett sätt som kallas Brownsk rörelse. Fenomenet - som först observerades av botanikern Robert Brown 1824 och senare beskrevs teoretiskt av Albert Einstein - är allmänt förekommande i naturen, en oundviklig konsekvens av termisk energi i miljön. Nu hävdar biokemisten R. Dean Astumian från University of Chicago att vi genom att applicera externa krafter och använda olika knep kan påverka dessa annars slumpmässiga slingringar och få saker att röra sig mer åt det ena hållet än på det andra, och därmed lägga grunden för potentiellt användbara enheter.

Ett arrangemang skulle bestå av ett lutande rör som har en rad positiva och negativa elektroder fästa längs ena sidan och som också innehåller en vätska fylld med negativt laddade partiklar. När elektriciteten slås på kommer elektrisk attraktion att få alla partiklar att samlas vid de positiva elektroderna. När elektriciteten stängs av kommer gravitationen att få de flesta partiklar att driva nedför. Men på grund av Brownsk rörelse kommer vissa ibland att gå uppför. Om dessa uppåtgående partiklar tar sig förbi den negativa elektroden, som ligger precis ovanför den positiva, kommer de att tvingas uppför till nästa positiva elektrod när elektriciteten slås på igen. Resten av partiklarna som drev nedför backen kommer att återvända till den positiva elektroden där de ursprungligen samlades. Genom att upprepa denna process, slå på och stänga av elektriciteten vid exakt rätt tidpunkter, kan vi generera nettorörelse i uppförsbacke, förklarar Astumian.

Den här historien var en del av vårt oktobernummer 1997

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Om större partiklar, sammansatta av samma material och med samma negativa laddning, läggs till röret, kommer de att tendera att röra sig nerför mer än de mindre partiklarna, eftersom de upplever en starkare dragkraft från gravitationen med jämförelsevis mindre friktionsmotstånd. Om du gör det här rätt kan du hamna i en situation där de stora partiklarna rör sig nedför medan de små partiklarna rör sig uppför, säger Astumian. Det kan vara extremt användbart, tillägger han, eftersom det för närvarande inte finns några riktigt bra sätt att separera partiklar efter storlek. Den partiska Brownska rörelsemetoden, säger han, kan ge grunden för praktiska enheter som kontinuerligt kan separera proteiner eller andra molekyler i biologisk eller kemisk bearbetning.

Men även om sådana applikationer inte slår igenom, bör forskningen åtminstone bidra till en ny uppskattning av den slumpmässiga, termiskt drivna rörelsen även känd som termiskt brus. Vi har alltid sett på termiskt brus som något att bli av med, säger Astumian. Men nu tar vi det motsatta tillvägagångssättet och försöker använda det konstruktivt.

Dölj