设计一种能够以最高效率产生最大功率的热机是一项重大挑战。实际的热机受到一个叫做卡诺极限的理论效率的限制，卡诺极限规定了多少热量可以转化为有用的功。

印度科学研究所(IISc)和贾瓦哈拉尔·尼赫鲁高级科学研究中心(JNCASR)的研究人员取得了突破性进展，他们设计了一种新型的“微型热机”，在实验室规模上克服了这一限制。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。

该研究的通讯作者、印度科学院物理系国家科学讲座教授、印度政府首席科学顾问Ajay K Sood说:“直到今天才被认为是不可能的，我们已经证明了这是可能的:同时实现高效率和高功率。”

热机将热量转化为功，例如，使活塞沿某一方向运动。对于一台100%高效的发动机来说，当这个过程反过来——活塞恢复到原来的状态——应该没有热量浪费，这是法国物理学家萨迪·卡诺在1824年提出的。如果这个过程发生得非常缓慢，这只在理论上是可能的，但这也意味着功率输出将为零，使发动机实际上毫无用处。这就是所谓的能效权衡。

“自20世纪70年代以来，人们一直在试图解决能源效率的权衡问题。在21世纪初，研究人员探索了微观系统来克服这一挑战。有趣的是，2017年，一篇论文声称不可能解决这个热力学难题，”印度科学院物理系前博士生、该研究的第一作者Sudeesh Krishnamurthy说。

在目前的研究中，研究小组在微米尺度上模拟了传统热机的功能。他们没有使用气体和燃料的混合物，而是使用一个微小的凝胶状胶体球，并用激光束来指导它的运动，类似于宏观发动机中活塞的工作方式。

“我们独特的微型引擎只用一个粒子就能运行，”JNCASR教授、另一位作者拉杰什·加纳帕蒂(Rajesh Ganapathy)说。他补充说，发动机的尺寸非常小，大约是一根头发宽度的百分之一。

该团队还利用快速变化的电场使发动机在两种状态之间循环。在这些条件下，他们发现废热耗散大大减少，使效率接近卡诺规定的极限的95%。

“我们所取得的成就是通过引入电场减少了热分布时间。这种热量分配时间的缩短使发动机能够以高效率运行，同时即使在高速运行时也能产生巨大的功率输出，”Krishnamurthy说。

此前，该团队设计了一个大功率引擎，使用活细菌来推动粒子并为系统提供动力。这一次，研究人员用电场取代了细菌，使颗粒在胶体介质中更有效地移动，并增加了系统的耐用性。

实验结果表明，在一定条件下，可以以高效率实现高功率。这样的进步可以为未来更节能的设备铺平道路。

苏德说:“如果有人能从这里得出一个信息，并尝试看看如何对这个微型引擎做出实际的解释，那就是故事的下一部分。”“我们已经打开了科学家们几乎放弃打开的大门，因为卡诺在以前的研究中设定了热力学约束。”