Наномотор из 16 атомов работает по законам квантовой физики
Молекулярный двигатель может питаться как тепловой, так и электрической энергией, хотя последняя оказалась гораздо более полезной
Исследователи из Empa и EPFL собрали один из самых маленьких двигателей, когда-либо созданных. Он состоит всего из 16 атомов, и при таком крошечном размере он, кажется, функционирует прямо на границе между классической физикой и квантовой.
Как и его макроскопические аналоги, этот мини-двигатель состоит из подвижной части (ротора) и неподвижной части (статора).
Статор в этом случае представляет собой скопление из шести атомов палладия и шести атомов галлия, расположенных в грубой треугольной форме. Между тем, ротор представляет собой четырехатомную молекулу ацетилена, которая вращается на поверхности статора. Вся машина имеет размеры менее нанометра в ширину.
Молекулярный двигатель может питаться как тепловой, так и электрической энергией, хотя последняя оказалась гораздо более полезной. Например, при комнатной температуре было обнаружено, что ротор вращается случайным образом. Но когда электрический ток применялся с помощью электронного сканирующего микроскопа, ротор вращался в одном направлении с 99-процентной стабильностью.
Это, по словам ученых, делает его гораздо более практичным, чем предыдущие молекулярные двигатели. В конечном счете, его можно было бы использовать не только для перемещения крошечных машин, но и для сбора энергии на наноуровне.
Но есть еще несколько странных особенностей нового мотора. Он вращается в одном направлении так же, как обычный двигатель, используя схему храпового механизма. Обычно это делается с помощью зубчатой передачи с наклонными зубьями и собачкой, которая скользит по плоской стороне зубьев, но не может подняться обратно по крутой стороне, заставляя двигаться в одну сторону.
Однако в этом случае молекулярный двигатель работает в обратном направлении. Почему-то ротор предпочитает двигаться против зубьев, взбираясь по крутому склону и игнорируя ровный маршрут. Как бы нелогично это ни звучало, эффект в основном один и тот же, поэтому ротор по-прежнему вращается в одном направлении.
Еще одна странность заключается в том, что молекулярный двигатель, по-видимому, нарушает закон классической физики. Как мы изначально понимаем на макроуровне, для преодоления сопротивления движению требуется минимальное количество энергии – например, на велосипеде вы не можете просто перестать крутить педали и ожидать, что поедете в гору.
Но так или иначе, это в основном то, что делал этот мини-мотор. Исследователи обнаружили, что ротор движется даже при незначительном количестве тепловой или электрической энергии – гораздо меньше, чем “должно” было потребоваться, чтобы заставить его вращаться.
Вместо этого, похоже, происходит явление, известное как квантовое туннелирование. По существу, частицы регулярно наблюдаются «туннелирующими» барьерами, которые они не имеют энергии для нормального преодоления барьера. Возвращаясь к аналогии с велосипедом, это не столько похоже на скольжение на вершину холма без педалей, сколько на телепортацию на другую его сторону.
Но даже это объяснение вызывает дальнейшие вопросы. Квантовое туннелирование считается бесфрикционным, но если бы это было так, ротор вращался бы в любом направлении случайным образом. Тот факт, что он предпочитает одно направление с вероятностью 99 процентов, говорит о том, что энергия теряется во время этого процесса.
«Двигатель может позволить нам изучить процессы и причины диссипации энергии в процессах квантового туннелирования», — говорит Оливер Гренинг, ведущий автор исследования.
Работы была опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Анимацию двигателя можно увидеть на видео.