Самый маленький мотор в мире

Самый маленький двигатель в мире, состоящий всего из 16 атомов: это был разработан группой исследователей из Empa и EPFL. «Это приближает нас к конечной предельный размер для молекулярных моторов», — объясняет Оливер Гренинг, руководитель функционального исследования поверхности группы Емпа. Двигателя составляет менее одного нанометра — другими словами, это примерно в 100 000 раз меньше диаметра человеческого волоса.

В принципе, молекулярные машины подобно своему аналогу в макро мире: он преобразует энергию в направленное движение. Такие молекулярные моторы также существуют в природе, например в виде миозины. Миозины являются моторных белков, которые играют важную роль в живых организмах в сокращении мышц и транспорт других молекул между клетками.

Сбор энергии на наноуровне

Похоже на масштабную мотор, 16 атом мотор состоит из статора и ротора, т. е. неподвижной и подвижной частью. Ротор вращается на поверхности статора (см. рисунок). Это может занять до шести разных положениях. «На двигатель, чтобы на самом деле делать полезную работу, необходимо, чтобы статор Ротор двигаться только в одном направлении», — объясняет Гренинга.

Поскольку энергия, которая приводит в действие электродвигатель, может исходить от случайном направлении, сам двигатель должен определить направление вращения, используя схему трещоткой. Однако, атом двигатель работает противоположно тому, что происходит с трещоткой в макроскопическом мире с несимметрично зубчатые колеса шестерни: а собачку на храповик перемещается вверх плоский край и замки в сторону крутого края, атомной вариант требует меньше энергии, чтобы двигаться вверх по крутому краю зубчатого колеса, чем у плоского края. Движение в блокирующем направлении обычно является поэтому предпочтительным и движение в ‘направлении’ гораздо реже. Поэтому движение практически возможно лишь в одном направлении.

Исследователи внедрили этот «обратный» принцип храповика в минимальном варианте с использованием статора с в основном треугольную конструкцию, состоящую из шести палладий и шесть атомов галлия. Хитрость здесь заключается в том, что эта структура является вращательно-симметричным, но не зеркально-симметричная.

В результате, Ротор (симметричная молекула ацетилена), состоящий всего из четырех атомов может непрерывно вращаться, хотя по часовой стрелке и против часовой стрелки вращения должны быть разными. «Поэтому двигатель имеет 99% курсовую устойчивость, что отличает его от других подобных молекулярных моторов», — говорит Гренинг. Таким образом, молекулярный мотор открывает путь для сбора энергии на атомном уровне.

Энергию из двух источников

Крошечный двигатель может работать от тепловой и электрической энергии. Тепловая энергия провоцирует, что направленное вращательное движение двигателя превращается вращения в случайных направлениях — при комнатной температуре, например, ротор вращается назад и совершенно случайно на несколько миллионов оборотов в секунду. В отличие от электрической энергии, вырабатываемой с помощью электронного сканирующего микроскопа, от кончика которой малый ток двигателей, может стать причиной направления вращения. Энергия одного электрона достаточно, чтобы сделать роторы продолжают вращаться лишь шестая революция. Чем выше количество поставляемой энергии, тем выше частота движений, но в то же время, скорее всего, Ротор должен двигаться в случайном направлении, поскольку слишком много энергии сможет преодолеть собачка в «неправильном» направлении.

Согласно законам классической физики, существует минимальное количество энергии, необходимое для установки Ротора в движение против сопротивления желоба; если поставлено электрической или тепловой энергии недостаточно, то ротор бы уже перестать. Удивительно, но исследователям удалось наблюдать независимо с постоянной частотой вращения в одном направлении, даже ниже этого предела — при температуре ниже 17 градусов Кельвина (-256° по Цельсию) или приложенное напряжение менее 30 милливольт.

Из классической физики в квантовом мире

На данный момент мы находимся на переходе от классической физики к более загадочное поле: квантовая физика. Согласно ее правилам, частицы могут «тоннель» — то есть, ротор может преодолеть парашют, даже если ее кинетическая энергия недостаточна в классическом смысле. Это движение тоннеля, как правило, происходит без потери энергии. Теоретически, таким образом, оба направления вращения должна быть равной вероятностью в этой области. Но удивительно, что мотор еще крутится в том же направлении с вероятностью 99%. «Второй закон термодинамики гласит, что энтропия в замкнутой системе не может уменьшаться. Другими словами: если нет энергии теряется в случае туннелирования, направление вращения электродвигателя должно быть чисто случайными. Тот факт, что двигатель все еще вращается почти исключительно в одном направлении, следовательно, указывает на то, что энергия тоже теряется в туннеле движение», — говорит Гренинг.

Куда время бежит?

Если мы откроем объем немного больше: когда мы смотрим видео, мы, как правило, может четко сказать, будет ли Время вперед или назад в видео. Если мы смотрим с теннисный мяч, например, который прыгает немного выше после каждого удара на землю, мы интуитивно знаем, что видео запускается в обратном направлении. Это потому что опыт учит нас, что шар теряет часть энергии при каждом ударе и, следовательно, должны оправиться менее высокие.

Если теперь мы представим себе идеальную систему, в которой ни энергии добавляется и не теряется, она становится невозможно определить, в котором направлении работает. Такая система могла бы быть «идеальная» теннисный мяч, который отскакивает назад на точно такой же высоте после каждого удара. Так, невозможно было определить, смотрим ли мы видео этого идеального мяч вперед или назад, оба направления одинаково правдоподобно. Если энергия остается в одной системе, мы уже не смогли бы определить направление времени.

Но этот принцип имеет и обратную сторону: если мы наблюдаем процесс в системе, которая дает понять, в котором направлении работает, система должна терять энергию или, точнее, рассеивать энергию, например в результате трения.

Вернемся к нашему мини-мотор: обычно считается, что отсутствие трения создается во время туннелирования. В то же время, однако, энергия не поступает в систему. Так как это может быть, что ротор вращается всегда в одном направлении? Второй закон термодинамики не допускает никаких исключений-единственное объяснение заключается в том, что есть потери энергии при туннелировании, даже если он очень маленький. Гренинг и его команда, таким образом, не только разработали игрушку для молекулярной мастеров. «Мотор может позволить нам изучать процессы и причины диссипации энергии в квантовых туннельных процессов», — говорит исследователь Эмпа.

сделать разницу: спонсорские возможности