ஒரு செல் உண்மையில் பல பாகைகள் சூடாக முடியுமா?

ஆய்வுக்கட்டுரையின்படி, ஓர் உயிருள்ள செல்லுக்குள் வெப்பநிலையை அளப்பது சுமார் பதினைந்து ஆண்டுகளாகத்தான் சாத்தியமாகியுள்ளது. அது ஒரு புதிரை உருவாக்கியுள்ளது. வளர்ந்து வரும் ஆய்வுகளின் தொகுப்பு, செல்களுக்குள் அவற்றின் சூழலை விட சுமார் 1 முதல் 10 கெல்வின் அதிகமான வெப்பநிலைகளைத் தெரிவிக்கிறது; மேற்கோள் காட்டப்படும் ஓர் ஆய்வின் தலைப்பு “Mitochondria are physiologically maintained at close to 50 °C” (மைட்டோகாண்ட்ரியா உடலியல் ரீதியாக 50 °C-க்கு அருகில் பராமரிக்கப்படுகின்றன). ஆனால் ஒரு செல் உண்மையில் எவ்வளவு வெப்பத்தை உருவாக்குகிறது என்பதையும் சாதாரண வெப்பக் கடத்தலையும் அடிப்படையாகக் கொண்ட மதிப்பீடுகள், ஒரு பாகையின் ஆயிரத்தில் ஒரு பங்குக்கும் குறைவான வேறுபாடுகளைக் கணிக்கின்றன.

இயற்பியல், வேதியியல் ரீதியாக வேறுபட்ட பல நானோ வெப்பமானிகள் ஏன் ஒத்த முடிவுகளைத் தருகின்றன என்பதை அறியப்பட்ட அளவீட்டுப் பிழைகள் எளிதில் விளக்குவதில்லை. சிறிய அளவுகளில் வெப்பக் கடத்தலுக்கான மேம்பாடுகள், பல அளவு வரிசைகள் கொண்ட இடைவெளியை மூட முடியாத அளவுக்கு மிகச் சிறியவையாகவே உள்ளன.

மூலத்தைப் பார்க்காதீர்கள், வெப்பமானியைப் பாருங்கள்

புதிரைத் தீர்க்கும் பெரும்பாலான முயற்சிகள் வெப்ப மூலத்தில் கவனம் செலுத்துகின்றன: ஒரு மைட்டோகாண்ட்ரியனின் அளவு, வடிவம், அமைப்பு, உணரியிலிருந்து அதன் தொலைவு; இவை அனைத்தையும் துல்லியமாகக் கண்டறிவது கடினம். டாராஸ் ப்ளாகோட்னிக் (குயின்ஸ்லாந்து பல்கலைக்கழகம்) சிக்கலைப் புரட்டிப் போடுகிறார்.

ஒரு கருத்தியல் புள்ளி வெப்ப மூலம், கோட்பாட்டளவில், முடிவிலி வெப்பநிலையை எட்டும். ஆனால் எந்த உண்மையான வெப்பமானியும் ஒரு புள்ளியை அளப்பதில்லை: அதற்கு முடிவுள்ள ஒரு வெப்பமானிக் கனஅளவு உண்டு, அது தெரிவிப்பது அந்தக் கனஅளவின் மீதான சராசரி. உணரி பொதுவாக உயிரியல் மூலத்தை விட மிகச் சிறப்பாக வரையறுக்கப்பட்டுள்ளது என்று அவர் குறிப்பிடுகிறார்.

எனவே அவர் கேட்கிறார்: அறியப்பட்ட மொத்த அளவு வெப்பத்தை உருவாக்கும் ஒரு பகுதிக்குள் எங்கு வைக்கப்பட்டாலும், குறிப்பிட்ட கனஅளவு கொண்ட ஓர் உணரி, நிலைத்த நிலையில், அதிகபட்சம் எவ்வளவு சூடாக முடியும்?

மூன்று கூறுகள் கொண்ட வரம்பு

ஃபூரியேயின் வெப்பக் கடத்தல் விதியையும், வடிவியல், பகுப்பாய்வு ஆகியவற்றின் இரண்டு பாரம்பரிய சமனிலிகளையும் மட்டுமே பயன்படுத்தி, அவர் ஒரு அதிகபட்ச வெப்பநிலைத் தேற்றத்தைத் தருவிக்கிறார்:

⟨T⟩ − T_ref ≤ 9 Q / (2 (36π)^(2/3) κ V^(1/3))

இங்கு Q உருவாகும் மொத்த வெப்பத் திறன், κ வெப்பக் கடத்துதிறனுக்கான ஒரு கீழ் வரம்பு, V உணரியின் கனஅளவு. வேறு எதுவும் இதில் நுழைவதில்லை: வெப்பம் எங்கிருந்து வருகிறது, எப்படிப் பரவியுள்ளது, உணரி எவ்வளவு தொலைவில் உள்ளது என்பவை எதுவும் இல்லை.

வளர்ப்பில் உள்ள வழக்கமான ஒரு பாலூட்டி செல்லுக்கு, ஆய்வுக்கட்டுரை 50 பிகோவாட் நிகர வெப்ப வெளியீடு, செல்களுக்குத் தெரிவிக்கப்பட்ட மதிப்புகளின் கீழ் முனையிலுள்ள மீட்டருக்குக் கெல்வினுக்கு 0.1 வாட் கடத்துதிறன், சுமார் 60 நானோமீட்டர் குறுக்களவுள்ள கோளத்துக்குச் சமமான 10⁻²² கனமீட்டர் உணரி ஆகியவற்றை எடுத்துக்கொள்கிறது. சாத்தியமான அதிகபட்சச் சூடேற்றம்: சுமார் 2 மில்லிகெல்வின்.

இந்த வரம்பு கூர்மையானது: ஒரு கோள வெப்ப மூலம் ஓட்டு வடிவ உணரியால் சூழப்படும்போது அது எட்டப்படுகிறது. மிகச் சாதகமான அந்த அமைப்பில் கூட, 1 கெல்வின் உயர்வுக்குக் குறைந்தது 25 நானோவாட் தேவை; இது செல்லின் அளவிடப்பட்ட வெளியீட்டை விட ஐநூறு மடங்கு அதிகம். வெப்பம் அதற்குப் பதிலாக ஒரு செல் அளவுக் கனஅளவில் சீராகப் பரவியிருந்தால், வரம்பு சுமார் 2 மைக்ரோகெல்வினாகக் குறையும்.

வெப்பம் உருவாக்கும், வெப்பம் உறிஞ்சும் வினைகள் ஒன்றையொன்று சமன்செய்தால் என்ன? கலோரிமானம் நிகர வெளியீட்டை மட்டுமே அளக்கிறது; தேற்றமோ உருவாகும் எல்லா வெப்பத்தையும் கணக்கிடுகிறது. செல்லிலிருந்து 50 பிகோவாட் மட்டுமே வெளியேறும்போது 1 கெல்வின் அளவீடு கிடைக்க, உள்ளூரில் குறைந்தது 25 நானோவாட் வெளியிடப்பட்டு, அதே செல்லின் வேறோர் இடத்தில் ஏறக்குறைய அதே அளவு உறிஞ்சப்பட வேண்டும்.

இந்த முடிவு பயன்பாட்டில் உள்ள உணரிகளுக்கு நேரடியாகப் பொருந்துகிறது: நானோவைரங்கள், மேல்மாற்ற (upconversion) நானோதுகள்கள், ஒளிரும் பாலிமர் துகள்கள், உள்ளகம்–ஓடு குவாண்டம் புள்ளிகள்.

பின்தங்கும் ஒரு வெப்பமானி

உணரி தானே உள்ளார்ந்த சமநிலையில் இருப்பதாகத் தேற்றம் கருதுகிறது. அது ஏன் தவறக்கூடும் என்று காட்ட, மீள்தன்மையுள்ள ஒரு சவ்வால் பிரிக்கப்பட்ட, ஒன்று சூடான, ஒன்று குளிர்ந்த இரண்டு வாயுக் கலன்களை ஆசிரியர் உருவகப்படுத்தினார். வாயுக்கள் விரைவாக ஒரு பொது வெப்பநிலையை அடைந்தன, ஆனால் சவ்வு மிக மெதுவாகத் தளர்ந்தது; சவ்வு விறைப்பாகும்போது இடைவெளி அகலமானது. ஒரு சிறிய பொருள், அதன் சுற்றுப்புறம் அமைதியடைந்த பின்னும் சமநிலைக்கு வெளியே இருக்க முடியும்; சமநிலை வெப்பநிலைகளுக்கு எதிரான நிலையான அளவுத்திருத்தம் அதை வெளிப்படுத்தாது.

விடுபட்ட இயற்பியல் எங்கே ஒளிந்திருக்க வேண்டும்

தெரிவிக்கப்பட்ட சூடான புள்ளிகள் அளவீட்டுப் பிழைகள் என்று ஆய்வுக்கட்டுரை கூறவில்லை. கெல்வின் அளவிலான ஒரு சமிக்ஞை உண்மையிலேயே வெப்பம் சார்ந்தது என்றால், தேற்றத்தின் குறைந்தது ஓர் அனுமானமாவது தவற வேண்டும் என்று அது கூறுகிறது. அது பட்டியலிடும் சாத்தியங்கள்: ஆய்வுக்கருவியே செலுத்தும் கூடுதல் திறன், நீண்ட ஆயுள் நிலைகளில் தற்காலிகமாகச் சேமிக்கப்படும் ஆற்றல், ஒருபோதும் முழுமையாகச் சமநிலையடையாத உணரி, அல்லது வெப்பநிலை மாற்றத்தைப் போலத் தோன்றும், உணரியிலோ அதன் சுற்றுப்புறத்திலோ ஏற்படும் வெப்பம் சாராத ஒரு மாற்றம். இவற்றைப் பிரித்தறிய, வெப்பமானியே எப்படித் தளர்கிறது என்பதைப் பின்தொடரும் சோதனைகள் தேவைப்படும் என்று ஆசிரியர் முடிவுசெய்கிறார்.