Учёные создали двигатель, состоящий всего из 16 атомов. Рекордно маленькая игрушка позволит изучить загадочные явления на границе классического и квантового мира.
Учёные создали двигатель, состоящий всего из 16 атомов. Рекордно маленькая "игрушка" позволит изучить загадочные явления на границе классического и квантового мира.
Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале PNAS.
Меньше, чем когда либо прежде
Устройство, состоящее из 16 атомов, занимается тем же, чем и любой уважающий себя двигатель. Оно приводит свою подвижную часть (ротор) в упорядоченное движение благодаря потоку энергии из внешней среды.
Самое приблизительное представление о новом двигателе можно получить, закрутив вокруг своей оси карандаш, лежащий на поверхности стола. Конец карандаша при этом будет описывать окружность, как стрелка часов или спица колеса. Карандаш здесь играет роль ротора, а стол — статора, то есть неподвижной части двигателя.
В новом устройстве ротор ("карандаш") — это четырёхатомная молекула ацетилена (C2H2). Она имеет продолговатую форму и нвнешне чем-то напоминает гантель. Статор ("стол") — это подложка из шести атомов палладия и шести же атомов галлия (PdGa). Молекула ацетилена буквально лежит на ней и вращается вокруг своей оси.
Правда, в отличие от карандаша на столе, молекула ацетилена на палладий-галлиевой подложке не может повернуться на произвольный угол. Есть только шесть разных позиций, которые она может занять в своём вращении. Кроме того, она ещё и "ползает" по подложке, как показано в видеоролике ниже.
Между прочим, вся эта удивительная конструкция имеет размер менее одного нанометра.
"Это приближает нас к предельному размеру молекулярных двигателей", — говорит соавтор статьи Оливер Грёнинг (Oliver Grning) из Швейцарских федеральных лабораторий наук о материалах и технологий.
Почти настоящий двигатель
Новый нанодвигатель довольно сложно раскрутить пальцами, но он всё же способен черпать энергию из двух источников.
Во-первых, это тепловая энергия среды, в которой находится молекула. Например, при комнатной температуре ротор вращается со скоростью несколько миллионов оборотов в секунду.
Во-вторых, это энергия электрического поля. С помощью высокоточного оборудования можно регулировать величину поля настолько ювелирно, что получится повернуть ротор буквально на долю оборота.
Отметим, что, когда ротор получает не слишком много энергии, он почти всегда (99% времени) вращается в одну сторону.
Причиной тому особая форма статора. Она подобрана так, чтобы для молекулы ацетилена было энергетически выгодно повернуться в определённую сторону, а не в противоположную. Это можно сравнить с храповым механизмом, позволяющим колесу вращаться только в одном направлении.
По словам Грёнинга, эта устойчивость резко отличает новое устройство от других молекулярных двигателей. Она сближает его с макроскопическими системами, такими, например, как двигатель автомобиля. Последний ведь тоже обеспечивает вращение колёс в строго заданную сторону, а не куда попало.
Подобный двигатель мог бы быть частью наноробота, выполняющего полезную работу. Кроме того, такие устройства могут быть моделями природных молекулярных двигателей, таких как белки миозины, играющие важную роль в работе мышц.
Правда, когда двигатель получает слишком много энергии (например, при комнатной температуре), сопротивление "храповика" легко преодолевается, и ротор вращается в случайных направлениях. Так что на практике подобные машины смогли бы работать только в весьма экзотических условиях, недостижимых вне стен лаборатории.
Вверху показаны изображения ротора в разных положениях, полученные с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Внизу те же положения изображены схематически.
Иллюстрация Empa.
На границе миров
Однако есть ещё одна область, где подобные наномашины были бы полезны. Это изучение физических законов на границе между классическим и квантовым миром (33Live.RuRu подробно рассказывали об этой захватывающей области исследований).
16 атомов — это уже слишком мало, чтобы считать объект бесспорно классическим, но всё ещё многовато, чтобы он был безусловно квантовым. И на этой слабо исследованной границе между мирами авторы уже обнаружили неожиданный эффект.
С точки зрения классической физики, существует минимальная порция энергии, которую нужно сообщить ротору, чтобы он повернулся. В случае данного двигателя это значит, что при температуре ниже -256 градусов Цельсия и напряжении электрического поля меньше 30 милливольт молекула ацетилена не будет вращаться ни в какую сторону.
С другой стороны, законы квантовой физики предусматривают так называемый туннельный эффект. Он должен приводить к тому, что ротор иногда всё-таки будет поворачиваться. При этом, как ни парадоксально, на это не будет тратиться никакой энергии. Поэтому энергетический "храповик", вынуждающий молекулу вращаться только в одном направлении, не будет работать. Вращение, вызванное туннельным эффектом, происходит то в одном, то в другом направлении. Каждый раз направление "выбирается" случайно, и в среднем ни одно не преобладает над другим.
То, что обнаружили учёные, не укладывается ни в одну, ни в другую модель. С одной стороны, они зафиксировали вращение ротора при энергиях ниже "классического предела". С другой стороны, молекула почти всегда поворачивалась в одну и ту же сторону.
Похоже, что при таком вращении энергетический "храповик" продолжал работать. Это означает, что ротор тратил энергию на своё вращение, хотя это и противоречит классической теории туннельного эффекта.
Теперь исследователям предстоит разобраться, почему же ротор их двигателя ведёт себя таким странным образом — и не классическим, и не квантовым. Возможно, это станет первым шагом к более глубокому пониманию законов, управляющих материей.
К слову, ранее 33Live.RuRu рассказывали о тормозах для молекулярных машин. Также мы писали о поезде, который движется по рельсам из ДНК, и о том, как можно играть молекулами в "крестики-нолики".
