В Швейцарии создали самый маленький в мире молекулярный мотор

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.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.