Демон Максвелла помог создать градиент концентрации азобензола

Химики из Великобритании предложили систему для направленного переноса органического вещества из одной области U-образного сосуда в другую при облучении светом. При этом роль демона Максвелла — сортировщика молекул — играл комплекс железа. Исследование опубликовано в Nature Chemistry.

Идею о демоне, который сортирует горячие и холодные молекулы по двум отсекам сосуда с перегородкой, нарушая при этом второй закон термодинамики, предложил в 1867 году физик Джеймс Клерк Максвелл. Мысленный эксперимент был построен так: герметичный сосуд, заполненный газом, разделен перегородкой. На перегородке расположена дверца, которой управляет демон — он измеряет скорости молекул и избирательно пропускает в одну половину сосуда быстрые молекулы, а в другую — медленные. По сути, демон создает разницу температур между двумя частями сосуда, что противоречит второму закону термодинамики.

Идею Максвелла ученые много раз моделировали в лаборатории на разных объектах. Конечно, второй закон при этом не нарушался, просто система была устроена так, что демон получал энергию для сортировки из какого-либо внешнего источника — то есть термодинамическая система была неизолированной. Либо же общая энтропия системы возрастала из-за ограниченной памяти демона, который был вынужден очищать ее при сортировке.

Химическую версию демона Максвелла недавно предложили химики под руководством Джонатана Ничке (Jonathan R. Nitschke) из Кембриджского университета. Они использовали в качестве объекта для сортировки орто-фторазобензол, способный при облучении обратимо изомеризоваться. Причем выбирая определенную длину волны облучающего света можно превращать азобензол как в цис-, так и в транс-форму.

Для постановки эксперимента химики поместили раствор азобензола в додекане в U-образную трубку. При этом в изгибе трубки находился водный раствор комплекса железа, который быстрее пропускал в другую часть сосуда молекулы цис-изомера и задерживал транс-изомер. Затем одну из трубок облучали светом с длиной волны 530 нанометров, а другую — 400 нанометров. При этом в первой трубке образовывался избыток цис-азобензола, который через водный слой с комплексом железа переходил во вторую трубку. Далее перешедший цис-азобензол за счет облучения превращался обратно в транс-изомер. В результате во второй трубке общая концентрация азобензола возрастала, а в первой трубке — падала. Так, демон Максвелла в виде комплекса железа создавал градиент концентраций, а необходимую для этого энергию поставлял свет.

Далее химики попробовали ввести в их систему еще один компонент — растворимый в органических растворителях нафталин. Оказалось, что в его присутствии возникает еще больший градиент концентраций. Как считают химики, это связано с тем, что после введения нафталина в одну из трубок и начала облучения, он постепенно переходил из одной части сосуда в другую, и при этом энтропия системы дополнительно увеличивалась — а это создавало движущую силу для возникновения большего градиента концентраций.

В результате химикам удалось добиться разницы концентраций между двумя трубками в три миллимоля на литр для системы без нафталина и в шесть миллимоль на литр для системы с нафталином. Также они построили кинетическую модель системы и рассчитали константы скорости всех происходящих процессов.

Ранее мы рассказывали о том, как демон Максвелла упорядочил отдельные атомы в оптической решетке. А подробнее про разные модели этого эксперимента можно прочитать в нашем материале «Работай, черт».