Molekulare Ratsche

Eine molekulare Ratsche oder auch Brownsche Ratsche ist eine gedachte Nanomaschine, die aus brownscher Molekularbewegung (also aus Wärme) gerichtete Bewegung erzeugt. Dies kann nur funktionieren, wenn zusätzlich von außen Energie in das System gebracht wird. Solche Systeme werden in der Literatur meistens Brownsche Motoren (siehe Literatur/Links) genannt.

Eine molekulare Ratsche ohne von außen zugeführte Energie wäre ein Perpetuum mobile zweiter Art und funktioniert somit nicht. Der Physiker Richard Feynman zeigte in einem Gedankenexperiment 1962 in seinen Vorlesungen, wie eine molekulare Ratsche prinzipiell aussehen könnte, und erklärte mit Hilfe der Maxwell-Boltzmann-Verteilung, warum sie nicht funktioniert. Das Gedankenexperiment ist mit dem von Maxwells Dämon verwandt.

Das Modell wurde schon vor Feynman um 1900 von Gabriel Lippmann diskutiert und von Marian Smoluchowski 1912 erklärt.^[1][2] Feynmans Lösung wurde von Juan Manuel Rodriguez Parrondo und Pep Español kritisiert.^[3] Nach den Autoren nahm Feynman inkorrekterweise quasistatische Bedingungen beim Fall mit unterschiedlichen Temperaturen an. Ihre eigene Analyse veröffentlichten Parrondo, Davis und Derek Abbott 2000.^[4] Eine weitere neuere und einflussreiche Analyse stammt von Marcelo Magnasco (1993)^[5] und Magnasco und Stolovitzky zeigten 1998, dass der Wirkungsgrad kleiner als der ideale Wirkungsgrad nach Carnot ist, im Gegensatz zur Analyse von Feynman.^[6] Aus seinen Arbeiten zu diesem Themenkreis entwickelte Parrondo das nach ihm benannte Parrondo-Paradoxon als eine Art diskrete Version.

Eine Variante wurde von Léon Brillouin 1950^[7] vorgeschlagen: der durch Wärmerauschen in einem Widerstand erzeugte Strom wird in einer Diode gleichgerichtet und könnte prinzipiell Arbeit verrichten. Auch hier zeigt eine genaue Analyse, dass durch Wärmebewegung in der Diode eine elektromotorische Kraft erzeugt wird, die dem entgegenwirkt.

Eine experimentelle Überprüfung in einem granularen Gas (mit eingeschränkter Übertragbarkeit auf die molekulare Situation) wurde 2010 durch Detlef Lohse und Kollegen unternommen.^[8]

1. ↑ Webseite von Parrondos Paradoxon von Derek Abbott, webarchive
2. ↑ Smoluchowski, Experimentell nachweisbare, der üblichen Thermodynamik widersprechende Molekularphänomene, Physikalische Zeitschrift, Band 13, 1912, S. 1068–1080
3. ↑ Parrondo, Espanol, Critique of Feynman's analysis of the ratchet as an engine, American Journal of Physics, Band 64, 1996, S. 1125–1130
4. ↑ Abbott, Davis, Parrondo: The problem of detailed balance for the Feynman-Smoluchowski Engine and the multiple pawl paradox, in: Unsolved Problems of Noise and Fluctuations. American Institute of Physics, 2000, S. 213–218
5. ↑ Magnasco, Forced Thermal Ratchets, Physical Review Letters, Band 71, 1993, S. 1477–1481.
6. ↑ Marcelo Magnasco, Gustavo Stolovitzky: Feynman's Ratchet and Pawl, Journal of Statistical Physics, Band 93, 1998, S. 615.
7. ↑ Brillouin, Can the Rectifier Become a Thermodynamical Demon?, Physical Review, Band 78, 1950, S. 627–628.
8. ↑ Eshuis, van der Weele, Lohse, van der Meer: Experimental realization of a rotational ratchet in a granular gas, Phys. Rev. Lett., Band 104, 2010, S. 248001, PMID 20867337