Ett forskargrupp från Empa och EPFL har utvecklat en molekylmotor som består av endast 16 atomer och roterar pålitligt i en riktning. Det kan tillåta energihämtning på atomnivå. Motorns särdrag är att den rör sig exakt vid gränsen mellan klassisk rörelse och kvanttunnel - och har avslöjat förbryllande fenomen för forskare inom kvantområdet.

Världens minsta motor - bestående av bara 16 atomer:den utvecklades av ett team av forskare från Empa och EPFL. "Detta tar oss nära den ultimata storleksgränsen för molekylära motorer, "förklarar Oliver Gröning, chef för Functional Surfaces Research Group på Empa. Motorn mäter mindre än en nanometer - med andra ord är den runt 100, 000 gånger mindre än diametern på ett människohår.

I princip, en molekylär maskin fungerar på ett liknande sätt som sin motsvarighet i makrovärlden:den omvandlar energi till en riktad rörelse. Sådana molekylära motorer finns också i naturen - till exempel i form av myosiner. Myosiner är motorproteiner som spelar en viktig roll i levande organismer vid sammandragning av muskler och transport av andra molekyler mellan celler.

Energihämtning på nanoskala

Som en storskalig motor, 16-atommotorn består av en stator och en rotor, dvs en fast och en rörlig del. Rotorn roterar på statorns yta (se bild). Den kan ta upp sex olika positioner. "För att en motor faktiskt ska göra nyttigt arbete, det är viktigt att statorn låter rotorn röra sig i endast en riktning, ”förklarar Gröning.

Eftersom energin som driver motorn kan komma från en slumpmässig riktning, själva motorn måste bestämma rotationsriktningen med hjälp av ett spärrschema. Dock, atommotorn fungerar motsatt vad som händer med en spärr i den makroskopiska världen med sitt asymmetriskt tandade kugghjul:Medan spärren på en spärr rör sig uppåt den plana kanten och låser sig i riktning mot den branta kanten, atomvarianten kräver mindre energi för att röra sig uppför den branta kanten på kugghjulet än den gör vid den plana kanten. Rörelsen i den vanliga "blockeringsriktningen" är därför att föredra och rörelsen i "körriktningen" mycket mindre sannolik. Så rörelsen är praktiskt taget bara möjlig i en riktning.

Forskarna har implementerat denna "omvända" spärrprincip i en minimal variant genom att använda en stator med en i princip trekantig struktur bestående av sex palladium- och sex galliumatomer. Tricket här är att denna struktur är rotationssymmetrisk, men inte spegelsymmetrisk.

Som ett resultat, rotorn (en symmetrisk acetylenmolekyl) som består av endast fyra atomer kan rotera kontinuerligt, även om rotationen medurs och moturs måste vara annorlunda. "Motorn har därför 99% riktningsstabilitet, som skiljer den från andra liknande molekylära motorer, "säger Gröning. På så sätt, molekylmotorn öppnar ett sätt för energihämtning på atomnivå.

Energi från två källor

Den lilla motorn kan drivas av både termisk och elektrisk energi. Värmeenergin framkallar att motorns riktningsrotationsrörelse ändras till rotationer i slumpmässiga riktningar - vid rumstemperatur, till exempel, rotorn roterar fram och tillbaka helt slumpmässigt vid flera miljoner varv per sekund. I kontrast, elektrisk energi genererad av ett elektronskannande mikroskop, från vars spets en liten ström rinner in i motorerna, kan orsaka riktningar. Energin i en enda elektron är tillräcklig för att få rotorerna att fortsätta rotera med bara en sjättedel av ett varv. Ju högre energi som levereras, ju högre rörelsefrekvens - men samtidigt, desto mer sannolikt är det att rotorn rör sig i slumpmässig riktning, eftersom för mycket energi kan övervinna spärren i "fel" riktning.

Enligt den klassiska fysikens lagar, det finns en minimal mängd energi som krävs för att rotorn ska kunna rotera mot rännans motstånd; om den levererade elektriska eller termiska energin inte är tillräcklig, rotorn måste stanna. Förvånande, forskarna kunde observera en oberoende konstant rotationsfrekvens i en riktning även under denna gräns-vid temperaturer under 17 Kelvin (-256 ° Celsius) eller en applicerad spänning på mindre än 30 millivolt.

Från klassisk fysik till kvantvärlden

Vid denna tidpunkt är vi på övergången från klassisk fysik till ett mer förvirrande område:kvantfysik. Enligt dess regler, partiklar kan "tunnla" - det vill säga, rotorn kan övervinna rännan även om dess kinetiska energi är otillräcklig i klassisk mening. Denna tunnelrörelse sker normalt utan förlust av energi. Teoretiskt sett därför, båda rotationsriktningarna bör vara lika troliga i detta område. Men överraskande nog, motorn svänger fortfarande i samma riktning med 99% sannolikhet. "Termodynamikens andra lag säger att entropi i ett slutet system aldrig kan minska. Med andra ord:om ingen energi går förlorad i tunnelhändelsen, motorns riktning ska vara rent slumpmässig. Det faktum att motorn fortfarande roterar nästan uteslutande i en riktning indikerar därför att energi också går förlorad under tunnelrörelser, säger Gröning.

Vilket sätt går tiden?

Om vi ​​öppnar omfånget lite mer:När vi tittar på en video, vi kan vanligtvis tydligt se om tiden går framåt eller bakåt i videon. Om vi ​​tittar på en tennisboll, till exempel, som hoppar lite högre efter varje stöt på marken, vi vet intuitivt att videon går bakåt. Detta beror på att erfarenhet lär oss att bollen tappar lite energi för varje slag och därför borde studsa tillbaka mindre högt.

Om vi ​​nu tänker på ett idealiskt system där varken energi tillförs eller går förlorad, det blir omöjligt att avgöra i vilken riktning tiden går. Ett sådant system kan vara en "idealisk" tennisboll som studsar tillbaka på exakt samma höjd efter varje stöt. Så, det vore omöjligt att avgöra om vi tittar på en video av denna idealiska boll framåt eller bakåt - båda riktningarna är lika troliga. Om energin finns kvar i ett system, vi skulle inte längre kunna bestämma tidens riktning.

Men denna princip kan också vändas:Om vi ​​observerar en process i ett system som gör det klart i vilken riktning tiden går, systemet måste tappa energi eller mer exakt, sprida energi - till exempel genom friktion.

Tillbaka till vår minimotor:Det antas vanligtvis att ingen friktion genereras under tunnling. På samma gång, dock, ingen energi tillförs systemet. Så hur kan det vara så att rotorn alltid vrider åt samma håll? Termodynamikens andra lag tillåter inga undantag - den enda förklaringen är att energiförluster uppstår under tunnel, även om den är extremt liten. Gröning och hans team har därför inte bara utvecklat en leksak för molekylära hantverkare. "Motorn kan göra det möjligt för oss att studera processer och orsaker till energispridning i kvanttunnelprocesser, säger Empa -forskaren.