Dodano: 30 czerwiec 2020r.

Funkcjonalny silnik, który składa się zaledwie z 16 atomów

Szwajcarscy naukowcy opracowali funkcjonalny silnik molekularny, który składa się tylko z 16 atomów. Silnik jest około 100 tys. razy mniejszy niż średnica ludzkiego włosa i wydaje się działać na granicy między fizyką klasyczną a światem kwantowym.

Funkcjonalny silnik, który składa się zaledwie z 16 atomów

 

Silnik składający się tylko z 16 atomów, został opracowany przez zespół badaczy z Empa (Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology) i EPFL (Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne). Szczegółowy opis konstrukcji został opublikowany na łamach pisma „Proceedings of the National Academy of Sciences”.

Najmniejszy silnik świata

Zasadniczo maszyna molekularna działa w podobny sposób jak jej odpowiednik w makro świecie, czyli zamienia energię w ukierunkowany ruch. Takie silniki molekularne istnieją również w przyrodzie, na przykład w postaci miozyn. Miozyny są białkami motorycznymi, które odgrywają ważną rolę w kurczeniu się mięśni i transporcie innych cząsteczek między komórkami w żywych organizmach.

- To zbliża nas do maksymalnego limitu wielkości silników molekularnych - wyjaśnił Oliver Gröning, szef grupy badawczej z Empa. Silnik mierzy mniej niż jeden nanometr, czyli jest około 100 000 razy mniejszy niż średnica ludzkiego włosa.

16-atomowy silnik, podobnie jak jego znacznie większa wersja, składa się ze stojana i wirnika, czyli części stałej i ruchomej. - Aby silnik rzeczywiście wykonał użyteczną pracę, istotne jest, aby stojan umożliwiał ruch wirnika tylko w jednym kierunku - wyjaśnił Gröning. I tak też się dzieje.

Naukowcy skonstruowali stojan o zasadniczo trójkątnej strukturze składającej się z sześciu atomów palladu i sześciu atomów galu. Wirnik to symetryczna cząsteczka acetylenu, która składa się tylko z dwóch atomów węgla i dwóch protonów. Może obracać się w sposób ciągły.

Zasilanie

Mały silnik może być zasilany zarówno energią cieplną, jak i elektryczną, ale z różnymi rezultatami. Energia cieplna powoduje, że kierunkowy ruch obrotowy silnika zmienia się w obroty w losowych kierunkach. Na przykład w temperaturze pokojowej, wirnik obraca się całkowicie losowo z prędkością kilku milionów obrotów na sekundę. Natomiast energia elektryczna wytwarzana przez skaningowy mikroskop elektronowy, z którego końca płynie niewielki prąd do malutkiego silnika, może powodować obroty kierunkowe z 99-procentową stabilnością.

Energia pojedynczego elektronu jest wystarczająca, aby wirnik mógł się poruszać, ale im większa ilość dostarczanej energii, tym wyższa częstotliwość ruchu i jednocześnie bardziej prawdopodobne, że wirnik zacznie poruszać się w losowym kierunku.

- Nasz silnik ma 99 proc. stabilności kierunkowej, co odróżnia go od innych podobnych silników molekularnych - zaznaczył Gröning. Dzięki temu, jak twierdzą autorzy wynalazku, jest on znacznie bardziej praktyczny niż poprzednie silniki molekularne. Ostatecznie można go wykorzystać nie tylko do napędzania niewielkich maszyn, ale także do pozyskiwania energii w nanoskali.

Tunelowanie kwantowe

Podczas badań naukowcy zaobserwowali pewną osobliwość. Do uruchomienia wirnika wymagana jest minimalna ilość energii. Jeżeli dostarczona energia elektryczna lub cieplna nie jest wystarczająca, wirnik powinien się zatrzymać - na przykład podczas jazdy na rowerze, gdy przestaniemy kręcić pedałami, raczej nie będziemy się spodziewać, że wjedziemy w ten sposób pod górkę.

Ale opracowany mini-silnik w jakiś sposób potrafi przezwyciężyć te ograniczenia. Naukowcy podczas sprawdzania skaningowym mikroskopem tunelowym, czy ich motor funkcjonuje, odkryli, że wirnik poruszał się nawet przy niewielkich ilościach energii cieplnej lub elektrycznej - o wiele mniejszych niż powinno być wymagane do jego uruchomienia.

Uczeni wskazują tutaj na zjawisko zwane tunelowaniem kwantowym, czyli przejście cząstki przez barierę potencjału o większej wysokości niż energia samej cząstki. Z punktu widzenia fizyki klasycznej, łamana tu jest zasada zachowania energii. Ale świat kwantowy na to pozwala. Uważa się, że tunelowanie kwantowe jest pozbawione tarcia, ale gdyby tak było, wirnik obracałby się w dowolnym kierunku losowo. Fakt, że preferuje jeden kierunek z 99-procentowym prawdopodobieństwem, sugeruje, że energia jest tracona podczas tego procesu.

- Silnik może umożliwić nam zbadanie procesów i przyczyn rozpraszania energii w procesach tunelowania kwantowego - zaznaczył Gröning.

Naukowcy mają nadzieję, że dalsze badania nad malutkim silnikiem pozwolą lepiej zrozumieć zjawisko tunelowania kwantowego. Jeśli to się uda, to mały silnik będzie można wykorzystać do generowania stałej energii dla innych małych systemów.

 

Źródło i fot.: Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology. Na zdjęciu malutki silnik w obrazowaniu wykonanym przy pomocy skaningowego mikroskopu tunelowego ((powiększenie około 50 milionów) podczas różnych faz obrotu. Poniżej model – na niebiesko i czerwono struktura stojanu, szarym kolorem oznaczono wirnik acetylenowy.