Ambachtelijk moleculen scheiden
De ratel die Germs gebruikt omvat een zeer smal waterkanaaltje waarin de bolletjes zich bevinden. Onder het kanaal zijn slim vormgegeven vingerelektroden aangebracht die een soort elektronisch heuvellandschap creëren. Als Germs de elektrische spanning uitzet, verspreiden de bolletjes zich door de botsingen met watermoleculen (Brownse beweging) in beide richtingen van het kanaal.
Als Germs vervolgens de spanning weer aanzet, worden de bolletjes in de dalen gevangen. Alleen is het heuvellandschap asymmetrisch, waardoor meer bolletjes in de ene richting gevangen worden dan in de andere. Netto zijn de bolletjes dan bewogen.
Het experiment van Germs is gebaseerd op het gedachte-experiment van de Poolse fysicus Marian Smoluchowski. Hij ontwierp in 1912 de zogenoemde ‘Brownse ratel’ waarmee energie uit botsingen gebruikt kan worden om iets in beweging te krijgen. Enig min punt in zijn idee was destijds, dat het in strijd was met de natuurwetten, omdat het suggereerde dat een wiel uit het niets zou kunnen gaan draaien.
Vijftig jaar later was het de Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman die met een belangrijke aanpassing zo’n ratel toch aan het werk zou krijgen. Inmiddels is de ratel ook daadwerkelijk experimenteel gerealiseerd en kunnen wetenschappers met deze ‘wetenschappelijke rariteit’ aan de slag. Wijnand Germs van de onderzoeksgroep Molecular Materials and Nanosystems (M2N) aan de TU/e richtte zich nu in zijn promotieonderzoek op een Brownse ratel die polystyreenbolletjes van 300 en 500 nanometer groot kan laten bewegen.
De Brownse ratel van Smoluchowski. Een schoepenrad (hierboven afgebeeld) is via een as verbonden met een wiel met een pal – de ratel. Luchtmoleculen botsen tegen de schoepen. Als het systeem in evenwicht is, botsen net zoveel moleculen tegen de ene kant van een schoep als tegen de andere kant en draait het wiel niet uit zichzelf. De ratel zou ervoor moeten zorgen dat het wiel wél één kant op draait: een netto Brownse beweging. Dat kan niet, stelt de thermodynamica. Je kunt geen energie onttrekken uit een systeem in evenwicht. De oplossing van Feynman was om het systeem uit zijn evenwicht te halen, bijvoorbeeld door het schoepenrad in een ruimte met een hogere temperatuur te plaatsen.
