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1、信息棘齿还是超脱热力学第二定律了Coll2ndL 摘要： 文献 Nature 445 523 介绍一种人工合成的纳米机械信息棘齿。 该文把信息棘齿和班尼特对麦克斯韦妖的解释放在一起比较。意图说明信息棘齿是符合班尼特解释的麦克斯韦妖的。 Coll2ndL （网名）发现其中还有蹊跷。班尼特的解释之最关键环节是“妖”获得分子的信息后开门或关门。信息棘齿没有对环分子是否一定通过“门”进行判断而随机地开门或关门。既然信息棘齿的“门”受控于光是随机的，那就设计一种受控于分子随机运动的门一样也能达到目的。 Coll2ndL 提出一种可行的方案，方案展示的是超脱热力学第二定律的麦克斯韦妖。1. 麦克斯韦妖和班
2、尼特的解释麦克斯韦讲述了一个麦克斯韦妖的故事。故事情节如下：从前有个妖守护着两个装有等温等压气体分子的舱室， A 舱和 B 舱。两个舱共用一个舱壁。舱壁上有道门。麦克斯韦妖看见一个分子向门移动。分子企图要通过门。妖先判断分子的能量，然后开门或关门。若是 A 室的高能（高速）分子则打开门，使分子来到 B 室。若是 A 室的低能（低速）分子则关闭门，阻止分子来到 B 室。若是 B 室的低能分子则打开门，使分子来到 A 室。若是 B 室的高能分子则关闭门，阻止分子来到 A 室。最后会达到一个目的： B 室的温度比 A 室的温度高。只要此妖是“全自动”的，就会超脱热力学第二定律。班尼特解释的麦克斯韦妖
3、是遵守热力学第二定律的。班尼特说不论怎样，妖获得分子信息就必需通过外界做功。就因为必需通过外界做功，所以不是“全自动”的。相反地，是遵守热力学第二定律的。2. 信息棘齿介绍Nature 445 523 1讲述的棘齿是一种人造的纳米机械。 论文作者们写作的时候就把自己的纳米机械和班尼特的解释放在一起比较，使得读者思路很清晰。论文作者们说自己的纳米机械符合班尼特解释的麦克斯韦妖。我们从前一直说麦克斯韦妖不存在，是抓住热二律而说的。其实班尼特解释的麦克斯韦妖遵守热二律，所以作者们就用了正面的口吻。说他们做出了麦克斯韦妖。图 1 图片来源： Nature 445 523如图 1。文献介绍一种装置。环形
4、的分子套在轴分子上滑动。因轴上有“门”受光的作用一开一关，故环形的分子在轴上定向移动。作者们的说法是在每一个部件中1) 环形分子最开始受制于氨基。 外界光子的能量既送到环也送到门。 似乎有着环携带一把钥匙来开门的形象。2) 门已开，环可轻松通过门，在下一个部件的氨基位置停留。似乎有着氨基能抓住环的形象。3) 外界光子的能量再次既送到环也送到门。 只是这回， 那把形象的钥匙不再开原来的门， 而是打开下一个部件的门。4) 原来的门是怎么关上的？是 PhCOCOPh 在光的作用下把门关上的，姑且理解它是一把用来关门的钥匙。那么，什么能量使环过的门？作者也说是布朗运动。没错，班尼特的解释也是这样说的。
5、当门已开，分子是靠自己的运动能量跨过门的。3. 信息棘齿与班尼特的解释不同Coll2ndL 要说信息棘齿和班尼特的解释不一样的地方是1) 环分子的钥匙开门以后。 环不是必然通过门的， 随机运动有着使环分子向反方向运动的可能。 此可能性与向门运动的可能性一半对一半。2) 班尼特的解释是妖看见分子必然要通过门， 才开门。 棘齿不是这样的， 没有得到必然要通过门的信息，却开门。3) 大量光子作用于容器里的所有“门” ，一个光子只能作用于一个“门” 。任何一个“门”被开关是随机发生的。再次证明没有得到环分子必然要通过门的信息，却开门。4) 班尼特的解释里没有等同于氨基的作用。棘齿结构里的氨基起着至关重
6、要的作用！4. 定向移动到底是怎么产生的棘齿结构里的氨基起着至关重要的作用！氨基使环分子的大部分时间停留在氨基附近。无规则运动使得环分子在轴上向两边运动。假如门全开，永远不关。环分子从左边氨基跳到右边氨基，或从右边氨基跳到左边氨基，概率是相等的。然而门是有时开有时关的。环分子跨越近端的门比跨越远端的门的机会多。环分子在不同隔间里被限制行动，只能选择本隔间的氨基位置多做停留。然后又是跨越近端的门比跨越远端的门的机会多。定向移动就是这样产生的。5. 再设计一种棘齿装置Nature 445 523 所实现的分子装置非常精致。但根据 Coll2ndL 的解释，根本不需要这么精致。既然信息棘齿的“门”受
7、控于光是随机的，就设计一种受控于分子随机运动的门一样也能达到目的。换一种轴分子，不需要光的作用，也能完成环分子的单向移动。改变分子装置的轴分子上“门” ，使其不需要光，也不需要开和关。只需要给环分子造成一定比例的不能通过的机会，就可以了。比如用任何一个拐弯的结构，或者任何一个体积稍大一点的结构，都可以达到环分子定向移动的目的。“只有 Nature 445 523 所实现的分子装置能完成环分子的单向移动” 是种假象。 造成这种假象的原因是探测手段。 Nature 445 523 采用光谱探测，根据光谱变化推理得到环在移动。而光线的吸收和发射就在运作机制中。想证明不需要光的作用也能完成环分子的单向
8、移动，光谱方法就要失败了，至少文中这样的探测方法是行不通的。既然光谱法是不行的，那怎么办呢？把大量的环分子有序排列制造成薄膜，并制作轴分子溶液。用环分子薄膜隔绝溶液成为两个舱室，检测两个舱室的轴分子浓度变化就行了。怎么把握轴分子按照规定方向通过门呢？那就是设计一种轴分子可被电场极化。把容器外加静电场，使溶液内的轴分子变为指定方向，一切都可行了。起初，两个舱室的轴分子浓度相等；后来，演变到浓度不等。参考文献1 Viviana Serreli, Chin-Fa Lee, Euan R. Kay, David A. Leigh. A molecular information ratchet. Nature, 2007 2 马骧 ,王巧纯 ,田禾 . 光驱动分子梭 . 化学进展 . 2009
