Den mindste motor i verden

Et forskerhold fra Empa og EPFL har udviklet en molekylær motor, som kun består af 16 atomer og roterer pålideligt i én retning. Det kunne tillade energihøst på atomniveau. Det særlige ved motoren er, at den bevæger sig præcis på grænsen mellem klassisk bevægelse og kvantetunnel – og har afsløret gådefulde fænomener for forskere i kvanteriget.

Den mindste motor i verden - bestående af kun 16 atomer:denne blev udviklet af et team af forskere fra Empa og EPFL. "Dette bringer os tæt på den ultimative størrelsesgrænse for molekylære motorer, " forklarer Oliver Gröning, leder af Functional Surfaces Research Group hos Empa. Motoren måler mindre end én nanometer - med andre ord er den omkring 100, 000 gange mindre end diameteren af ​​et menneskehår.

I princippet, en molekylær maskine fungerer på samme måde som sin pendant i makroverdenen:den omdanner energi til en rettet bevægelse. Sådanne molekylære motorer findes også i naturen - for eksempel i form af myosiner. Myosiner er motoriske proteiner, der spiller en vigtig rolle i levende organismer i sammentrækningen af ​​muskler og transporten af ​​andre molekyler mellem celler.

Energihøst på nanoskala

Som en storstilet motor, 16-atom motoren består af en stator og en rotor, altså en fast og en bevægelig del. Rotoren roterer på overfladen af ​​statoren (se billede). Den kan indtage seks forskellige positioner. "For at en motor rent faktisk kan udføre nyttigt arbejde, det er vigtigt, at statoren tillader rotoren at bevæge sig i kun én retning, " forklarer Gröning.

Da energien, der driver motoren, kan komme fra en tilfældig retning, selve motoren skal bestemme rotationsretningen ved hjælp af et skraldeskema. Imidlertid, atommotoren fungerer modsat af, hvad der sker med en skralde i den makroskopiske verden med dets asymmetrisk takkede tandhjul:Mens palen på en skralde bevæger sig op ad den flade kant og låser i retning af den stejle kant, atomvarianten kræver mindre energi for at bevæge sig op ad den stejle kant af tandhjulet, end den gør ved den flade kant. Bevægelsen i den sædvanlige 'blokeringsretning' foretrækkes derfor, og bevægelsen i 'løberetningen' er meget mindre sandsynlig. Så bevægelsen er stort set kun mulig i én retning.

Forskerne har implementeret dette 'omvendte' skraldeprincip i en minimal variant ved at bruge en stator med en grundlæggende trekantet struktur bestående af seks palladium- og seks galliumatomer. Tricket her er, at denne struktur er rotationssymmetrisk, men ikke spejlsymmetrisk.

Som resultat, rotoren (et symmetrisk acetylenmolekyle) bestående af kun fire atomer kan rotere kontinuerligt, selvom rotationen med uret og mod uret skal være forskellig. "Motoren har derfor 99% retningsstabilitet, som adskiller den fra andre lignende molekylære motorer, siger Gröning. På den måde den molekylære motor åbner en vej for energihøst på atomniveau.

Energi fra to kilder

Den lille motor kan drives af både termisk og elektrisk energi. Den termiske energi fremkalder, at motorens retningsbestemte roterende bevægelse ændres til rotationer i tilfældige retninger - ved stuetemperatur, for eksempel, rotoren roterer helt tilfældigt frem og tilbage med flere millioner omdrejninger i sekundet. I modsætning, elektrisk energi genereret af et elektron scanning mikroskop, fra spidsen af ​​hvilken en lille strøm løber ind i motorerne, kan forårsage retningsbestemte rotationer. Energien af ​​en enkelt elektron er tilstrækkelig til at få rotorerne til at fortsætte med at rotere med kun en sjettedel af en omdrejning. Jo højere mængde energi, der leveres, jo højere bevægelsesfrekvens - men på samme tid, jo mere sandsynligt er det, at rotoren bevæger sig i en tilfældig retning, da for meget energi kan overvinde palen i den "forkerte" retning.

I henhold til den klassiske fysiks love, der er en minimal mængde energi, der kræves for at sætte rotoren i bevægelse mod modstanden fra slisken; hvis den tilførte elektriske eller termiske energi ikke er tilstrækkelig, rotoren skulle stoppe. Overraskende nok, forskerne var i stand til at observere en uafhængigt konstant rotationsfrekvens i én retning selv under denne grænse - ved temperaturer under 17 Kelvin (-256° Celsius) eller en påført spænding på mindre end 30 millivolt.

Fra klassisk fysik til kvanteverdenen

På dette tidspunkt er vi ved overgangen fra klassisk fysik til et mere gådefuldt felt:kvantefysik. Ifølge sine regler, partikler kan "tunnelere" - dvs. rotoren kan overvinde slisken, selvom dens kinetiske energi er utilstrækkelig i klassisk forstand. Denne tunnelbevægelse sker normalt uden tab af energi. Teoretisk set, derfor, begge rotationsretninger bør være lige sandsynlige i dette område. Men overraskende nok, motoren drejer stadig i samme retning med 99 % sandsynlighed. "Termodynamikkens anden lov siger, at entropi i et lukket system aldrig kan falde. Med andre ord:hvis ingen energi går tabt i tunnelbegivenheden, retningen af ​​motoren skal være rent tilfældig. Det faktum, at motoren stadig drejer næsten udelukkende i én retning, indikerer derfor, at energi også går tabt under tunnelbevægelse, siger Gröning.

Hvilken vej løber tiden?

Hvis vi åbner omfanget lidt mere:Når vi ser en video, vi kan normalt tydeligt se, om tiden løber frem eller tilbage i videoen. Hvis vi ser en tennisbold, for eksempel, som hopper lidt højere efter hvert stød på jorden, vi ved intuitivt, at videoen kører baglæns. Dette skyldes, at erfaringen lærer os, at bolden mister noget energi ved hvert slag og derfor bør hoppe mindre højt tilbage.

Hvis vi nu tænker på et ideelt system, hvor hverken energi tilføres eller tabes, det bliver umuligt at afgøre, i hvilken retning tiden løber. Sådan et system kunne være en "ideel" tennisbold, der hopper tilbage i nøjagtig samme højde efter hvert stød. Så, det ville være umuligt at afgøre, om vi ser en video af denne ideelle bold frem eller tilbage – begge retninger er lige plausible. Hvis energien forbliver i ét system, vi ville ikke længere være i stand til at bestemme tidens retning.

Men dette princip kan også vendes om:Hvis vi observerer en proces i et system, der gør det klart, i hvilken retning tiden løber, systemet skal miste energi eller, mere præcist, sprede energi - for eksempel gennem friktion.

Tilbage til vores minimotor:Det antages normalt, at der ikke opstår friktion under tunnelkørsel. På samme tid, imidlertid, der tilføres ingen energi til systemet. Så hvordan kan det være, at rotoren altid drejer i samme retning? Termodynamikkens anden lov tillader ingen undtagelser - den eneste forklaring er, at der er et tab af energi under tunneling, selvom det er ekstremt lille. Gröning og hans team har derfor ikke kun udviklet et legetøj til molekylære håndværkere. "Motoren kunne sætte os i stand til at studere processerne og årsagerne til energispredning i kvantetunnelprocesser, " siger Empa-forskeren.