德國斯圖加特大學(xué)和馬普學(xué)會智能系統(tǒng)研究所的研究人員正在研究微米尺度上的熱力發(fā)動機(jī)，他們已經(jīng)開發(fā)出世界上最小的蒸汽機(jī)，更精確的說是最小的斯特林發(fā)動機(jī)，相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表于近期的《NaturePhysics》雜志網(wǎng)絡(luò)版。

      經(jīng)過全面的考慮，他們還確定這種發(fā)動機(jī)能夠?qū)嶋H操作。盡管截至目前還沒有投入使用，但斯圖加特大學(xué)的研究人員已經(jīng)開展了一些試驗工作來顯示實際的基本工作情況。這意味著，理論上不存在建造高效的小型熱力發(fā)動機(jī)的障礙。

      和微觀尺度技術(shù)相比，大規(guī)模利用的技術(shù)可能會引起意想不到的問題。基于微觀和宏觀世界不同的準(zhǔn)則，這可能是一個基本性質(zhì)。盡管準(zhǔn)則不同，但大規(guī)模和小規(guī)模尺度上的一些物理過程有著驚人的類似之處。斯圖加特大學(xué)教授也是馬普學(xué)會智能系統(tǒng)研究所的研究員ClemensBechinger和他的同事ValentinBlickle已經(jīng)觀察到這些相似點中的其中一點。

      微觀世界的準(zhǔn)則決定，研究人員無法根據(jù)常規(guī)尺度的藍(lán)圖來構(gòu)建微小的發(fā)動機(jī)。ValentinBlickle提到，他們已經(jīng)成功地將熱力發(fā)動機(jī)的重要組成部分（如工作氣體和活塞）縮減到只有幾微米，然后將它們組裝到一臺機(jī)器中。在斯圖加特的實驗中，工作氣體不再由無數(shù)分子組成，而是由一個個只有3微米的塑料珠浮在水中，由于膠體粒子比原子大約10000倍，研究人員可以直接在顯微鏡下觀察它的運動。

      物理學(xué)家通過一種聚焦激光束（其強度定期變化），取代了在氣缸中上下往復(fù)運動的活塞。激光的光場力來限制塑料粒子的運動強度，就像熱力發(fā)動機(jī)汽缸中氣體的壓縮和膨脹。然后，粒子在激光場工作。為了使壓縮和膨脹階段不停止工作，這些必須在不同的溫度下進(jìn)行。在膨脹過程，系統(tǒng)需要外部供熱，就像蒸汽機(jī)的鍋爐。研究人員進(jìn)一步用一種激光束取代了老式蒸汽機(jī)的火力供熱，而且可以在關(guān)閉后迅速降溫。

      事實上，斯圖加特機(jī)器上塑料珠周圍環(huán)繞的水分子在運動中不斷與微粒碰撞。在這些隨機(jī)碰撞中，塑料粒子不斷地與周圍交換能量來通過這種能量做功。ValentinBlickle解釋到，這種效果就是通過不同周期循環(huán)獲得的能量也大有不同。

      但是，物理學(xué)家們驚奇地發(fā)現(xiàn)，盡管這種發(fā)動機(jī)功率不同，但平均起來每個循環(huán)產(chǎn)生的能量一樣多，甚至可以和宏觀滿負(fù)荷情況下一樣的效率運行。ClemensBechinger提到，他們的實驗提供一個微觀發(fā)動機(jī)運行時能量守恒的初步觀點。雖然他們的機(jī)器還不能提供任何有用的工作，但原則上沒有熱力學(xué)障礙。這對設(shè)計可靠的、高效的微型機(jī)械無疑是一個好消息。