Швейцарские ученые сумели собрать один из самых крошечных двигателей в мире: система состоит из ровным счетом 16 атомов и работает, по выражению авторов, на границе классической и квантовой физики. Наноустройство, полученное специалистами Швейцарских национальных лабораторий материаловедения (Empa) и Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), представлено в статье, опубликованной в журнале PNAS. Размер всей системы не достигает и нанометра.

Подобно обычным макроскопическим двигателям, система включает и движущуюся часть (ротор), и неподвижную (статор). Только в этом случае статор образован из шести атомов палладия и шести — галлия, образующих два равносторонних треугольника, наложенных друг на друга. Ротор же состоит из четырехатомной молекулы ацетилена.

Он вращается в случайном направлении на поверхности статора под действием обычной тепловой энергии, при комнатной температуре совершая несколько миллионов оборотов в секунду.

Однако если к устройству подвести электричество — ученые проделали это с помощью иглы сканирующего электронного микроскопа, — то его стабильный приток заставляет ацетилен совершать поворот в одном и том же направлении в 99 случаях из 100. По словам авторов, на один поворот требуется шесть электронов.

Достигается это за счет наноразмерного аналога храпового механизма. В обычном храповике поворот в обратном направлении блокируется собачкой, которая упирается в зубья особой несимметричной формы. Так и в «атомарном двигателе»: структура статора не имеет зеркальной симметрии, делая вращение молекулы ацетилена в одном направлении предпочтительнее, чем в противоположном.

В некоторых условиях 16-атомное наноустройство проявляло и свою квантовую природу. Так, двигатель продолжал работать, даже когда получал тепловой и электрической энергии меньше предела, необходимого на вращение, при температурах ниже 17 Кельвинов (минус 256 °C) и подаваемом напряжении менее 30 мВт. Авторы объясняют это туннельным эффектом — способностью микрочастиц спонтанно преодолевать энергетические барьеры, не имеющей аналогов в нашем макроскопическом мире.

Ученые надеются, что когда-нибудь такие устройства смогут приводить в движение наномашины — такие как «нанокран» или «нанофабрику», о которых мы писали раньше.

По этому же поводу сайт «Индикатор» сообщает, что сотрудники Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и технологий вместе с коллегами из Федеральной политехнической школы Лозанны представили самый маленький в мире молекулярный двигатель, который состоит всего из 16 атомов и может вращаться в одном направлении. Новое устройство приближает исследователей к предельному размеру молекулярных двигателей. Статья о разработке опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Молекулярные машины работают аналогично их двойнику в макромире: они преобразуют энергию в направленное движение. Такие молекулярные двигатели также существуют в природе. Ими являются, например, миозины. Это моторные белки, которые участвуют в сокращении мышц и транспорте других молекул между клетками.

Подобно двигателю в макромире, 16-атомный двигатель состоит из статора и ротора, то есть неподвижной и движущейся частей. Ротор вращается на поверхности статора и может занимать до шести различных позиций. Чтобы такой двигатель действительно выполнял полезную работу, важно, чтобы статор позволял ротору двигаться только в одном направлении.

Поскольку энергия, которая приводит в движение мотор, может поступать с различных направлений, сам двигатель должен определять направление вращения с помощью храповика. Однако атомный двигатель работает противоположно тому, что происходит с храповиком в макроскопическом мире. Собачка на храповике движется вверх по плоской кромке и фиксируется в направлении крутого края. Однако для атомного варианта этого механизма требуется меньше энергии для перемещения вверх по крутому краю зубчатого колеса, чем по плоскому. Поэтому движение в обычном «блокирующем» направлении будет для такого механизма выгоднее, чем в обратном. Так что движение практически возможно только в одном направлении.

Авторы новой работы смогли реализовать этот обратный храповой механизм в молекулярном двигателе, используя статор с треугольным основанием, состоящим из шести атомов палладия и шести атомов галлия. Хитрость здесь заключается в том, что эта структура симметрична вращательно, но не зеркально. В результате ротор, в роли которого выступила симметричная молекула ацетилена, может вращаться непрерывно, хотя вращение по часовой стрелке и против нее должно быть различным.

Такой молекулярный мотор может питаться как от тепловой, так и от электрической энергии. Тепловая энергия индуцирует направленное вращение двигателя, которое затем переходит во вращение в случайных направлениях. Например, при комнатной температуре ротор начинает вращаться совершенно хаотично со скоростью в несколько миллионов оборотов в секунду. Электрическое поле, создаваемое электронным сканирующим микроскопом, наоборот, может создавать направленное вращение.

Энергии одного электрона достаточно, чтобы заставить роторы вращаться на одну шестую оборота. Чем больше количество подаваемой энергии, тем выше частота движения. Однако в то же время увеличивается вероятность того, что ротор будет двигаться в случайном направлении из-за того, что большее количество энергии может сделать собачку бесполезной.

Согласно законам классической физики, существует минимальное количество энергии, необходимое для приведения ротора в движение против сопротивления собачки. Если подаваемой электрической или тепловой энергии будет недостаточно, ротор должен будет остановиться. Однако исследователи смогли наблюдать независимо постоянную частоту вращения в одном направлении даже ниже этого предела — при температурах ниже 17 K (-256 °C) — или приложенном напряжении менее 30 милливольт.