De demon van Maxwell is een machine voorgesteld door James Clerk Maxwell in 1867. De hypothetische machine zou thermische fluctuaties gebruiken om energie te verkrijgen, blijkbaar in strijd met het tweede principe van de thermodynamica. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Barcelona hebben de eerste theoretische en experimentele oplossing gepresenteerd van een continue versie van Maxwell's demon in een enkel molecuulsysteem. De resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica , toepassingen hebben op andere gebieden, zoals biologische en kwantumsystemen.

"Ondanks de eenvoud en de grote hoeveelheid werk in het veld, deze nieuwe variant van de klassieke Maxwell-demon is tot nu toe onontgonnen gebleven, " merkt Fèlix Ritort op, hoogleraar bij de afdeling Fundamentele Natuurkunde van de UB. "In dit onderzoek, we hebben een systeem geïntroduceerd dat in staat is om willekeurig grote hoeveelheden werk per cyclus te extraheren door herhaalde metingen van de toestand van een systeem."

Het gunstige moment vinden

Wachten op zo'n gunstige gelegenheid om voordelen te krijgen, is hetzelfde gedragspatroon van een speculant die op het juiste moment op de beurs wacht, of een roofdier dat wacht op een prooi om dichtbij te komen. "Vanuit een thermodynamisch oogpunt, dat bepaalde intuïtieve aspect bij het zoeken naar het juiste moment is wat meer energie kost. Het antwoord is of het mogelijk is om dezelfde energie uit het gunstige moment te halen dan de omgekeerde in het zoekproces, d.w.z. door een thermodynamisch omkeerbaar proces, " merkt Marco Ribezzi op, onderzoeker aan de UB en de School of Industrial Physics and Chemistry (ESPCI Paris/CNRS).

"Onze experimenten tonen aan dat het mogelijk is om het juiste moment te vinden, en tegelijkertijd niet erg gebruikelijk, en om het op een omkeerbare manier te gebruiken. Deze resultaten tonen de onderliggende thermodynamische structuur voor een algemeen probleem dat vele toepassingen kan vinden, bijvoorbeeld, op het gebied van biologie, " merkt Ribezzi op.

Volgens de onderzoekers is de nieuwe versie van de demon van Maxwell kan gevolgen hebben voor zelforganisatie- en selectieprocessen die plaatsvinden tijdens biologische evolutie. Bijvoorbeeld, dit apparaat zou relevant kunnen zijn bij de regulering van biologische netwerken bij opwekking, transmissie en transductie van signalen door celmembranen.

De experimentele testen zijn uitgevoerd in een systeem van optische pincetten, die de manipulatie van een molecuul elke keer mogelijk maakt, in dit geval een DNA-molecuul. Met de juiste kracht op deze structuur, het is mogelijk om het uit te vouwen, maar als de kracht klein genoeg is, de ongevouwen staat wordt zeldzaam, zodat het precies het moment vindt waarnaar het op zoek was. Wanneer het molecuul zich in een zeldzame staat bevindt, het heeft meer energie en het is mogelijk om het te gebruiken. "Hoe zeldzamer de aflevering, hoe moeilijker voor ons om het te vinden, maar hoe meer energie we er uit kunnen halen, " merkt Ribezzi op.

"De verbazingwekkende complexiteit van de levende materie zou kunnen worden gezien als het resultaat, over verschillende evolutionaire tijdschalen, van een groot proces van energiewinning in de juiste omgevingen om grote hoeveelheden informatie op te slaan die verborgen zijn door ruis en willekeur, " concludeert Ritort, tevens lid van de Bioengineering, Biomaterialen en Nanomedicine Networking Biomedisch Onderzoekscentrum (CIBER-BBN).