Een onderzoeksteam van Empa en EPFL heeft een moleculaire motor ontwikkeld die uit slechts 16 atomen bestaat en betrouwbaar in één richting draait. Het zou het oogsten van energie op atomair niveau mogelijk maken. Het bijzondere van de motor is dat hij precies op de grens tussen klassieke beweging en kwantumtunneling beweegt - en raadselachtige verschijnselen heeft onthuld aan onderzoekers in het kwantumrijk.

De kleinste motor ter wereld - bestaande uit slechts 16 atomen:deze is ontwikkeld door een team van onderzoekers van Empa en EPFL. "Dit brengt ons dicht bij de ultieme limiet voor moleculaire motoren, " legt Oliver Gröning uit, hoofd van de Functional Surfaces Research Group bij Empa. De motor meet minder dan één nanometer - met andere woorden, het is ongeveer 100, 000 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar.

In principe, een moleculaire machine functioneert op dezelfde manier als zijn tegenhanger in de macrowereld:hij zet energie om in een gerichte beweging. Dergelijke moleculaire motoren bestaan ​​ook in de natuur, bijvoorbeeld in de vorm van myosinen. Myosinen zijn motoreiwitten die in levende organismen een belangrijke rol spelen bij de samentrekking van spieren en het transport van andere moleculen tussen cellen.

Energie oogsten op nanoschaal

Als een grote motor, de 16-atoommotor bestaat uit een stator en een rotor, d.w.z. een vast en een bewegend deel. De rotor draait op het oppervlak van de stator (zie afbeelding). Het kan zes verschillende posities innemen. "Om een ​​motor daadwerkelijk nuttig werk te laten doen, het is essentieel dat de stator de rotor in slechts één richting laat bewegen, " legt Gröning uit.

Omdat de energie die de motor aandrijft uit een willekeurige richting kan komen, de motor zelf moet de draairichting bepalen met behulp van een ratelschema. Echter, de atoommotor werkt tegengesteld aan wat er gebeurt met een ratel in de macroscopische wereld met zijn asymmetrisch getande tandwiel:terwijl de pal op een ratel langs de platte rand omhoog beweegt en in de richting van de steile rand vergrendelt, de atomaire variant vereist minder energie om langs de steile rand van het tandwiel omhoog te bewegen dan aan de platte rand. De beweging in de gebruikelijke 'blokkeerrichting' heeft daarom de voorkeur en de beweging in 'looprichting' veel minder waarschijnlijk. De beweging is dus vrijwel maar in één richting mogelijk.

De onderzoekers hebben dit 'omgekeerde' ratelprincipe geïmplementeerd in een minimale variant door gebruik te maken van een stator met een in principe driehoekige structuur bestaande uit zes palladium- en zes galliumatomen. De truc hier is dat deze structuur rotatiesymmetrisch is, maar niet spiegelsymmetrisch.

Als resultaat, de rotor (een symmetrisch acetyleenmolecuul) bestaande uit slechts vier atomen kan continu roteren, hoewel de rotatie met de klok mee en tegen de klok in moet verschillen. "De motor heeft daardoor 99% richtingsstabiliteit, die het onderscheidt van andere vergelijkbare moleculaire motoren, " zegt Gröning. Zo de moleculaire motor opent een weg voor het oogsten van energie op atomair niveau.

Energie uit twee bronnen

De kleine motor kan worden aangedreven door zowel thermische als elektrische energie. De thermische energie zorgt ervoor dat de directionele roterende beweging van de motor verandert in rotaties in willekeurige richtingen - bij kamertemperatuur, bijvoorbeeld, de rotor draait volledig willekeurig heen en weer met enkele miljoenen omwentelingen per seconde. In tegenstelling tot, elektrische energie opgewekt door een elektronen scanning microscoop, vanaf de punt waarvan een kleine stroom in de motoren vloeit, richtingsrotaties kunnen veroorzaken. De energie van een enkel elektron is voldoende om de rotoren met slechts een zesde van een omwenteling te laten ronddraaien. Hoe hoger de geleverde hoeveelheid energie, hoe hoger de bewegingsfrequentie, maar tegelijkertijd, hoe groter de kans dat de rotor in een willekeurige richting beweegt, omdat te veel energie de pal in de "verkeerde" richting kan overwinnen.

Volgens de wetten van de klassieke natuurkunde, er is een minimale hoeveelheid energie nodig om de rotor in beweging te brengen tegen de weerstand van de stortkoker in; als de geleverde elektrische of thermische energie niet voldoende is, de rotor zou moeten stoppen. Verrassend genoeg, de onderzoekers waren in staat om een ​​onafhankelijk constante rotatiefrequentie in één richting waar te nemen, zelfs onder deze limiet - bij temperaturen onder 17 Kelvin (-256 ° Celsius) of een aangelegde spanning van minder dan 30 millivolt.

Van klassieke natuurkunde tot de kwantumwereld

Op dit punt bevinden we ons op de overgang van de klassieke natuurkunde naar een meer raadselachtig veld:de kwantumfysica. Volgens zijn regels, deeltjes kunnen "tunnelen" - dat wil zeggen, de rotor kan de glijbaan overwinnen, zelfs als zijn kinetische energie onvoldoende is in de klassieke zin. Deze tunnelbeweging vindt normaal gesproken plaats zonder energieverlies. theoretisch, daarom, beide draairichtingen moeten in dit gebied even waarschijnlijk zijn. Maar verrassend genoeg de motor draait nog steeds in dezelfde richting met 99% waarschijnlijkheid. "De tweede wet van de thermodynamica stelt dat entropie in een gesloten systeem nooit kan afnemen. Met andere woorden:als er geen energie verloren gaat tijdens het tunnelen, de richting van de motor moet puur willekeurig zijn. Het feit dat de motor nog bijna uitsluitend in één richting draait geeft dus aan dat ook bij tunnelbeweging energie verloren gaat, ", zegt Gröning.

Op welke manier loopt de tijd?

Als we de scope een beetje meer openen:als we een video bekijken, we kunnen meestal duidelijk zien of de tijd vooruit of achteruit loopt in de video. Als we naar een tennisbal kijken, bijvoorbeeld, die een beetje hoger springt na elke impact op de grond, we weten intuïtief dat de video achteruit loopt. De ervaring leert namelijk dat de bal bij elke impact wat energie verliest en dus minder hoog terug zou moeten stuiteren.

Als we nu denken aan een ideaal systeem waarin geen energie wordt toegevoegd of verloren gaat, het wordt onmogelijk om te bepalen in welke richting de tijd loopt. Zo'n systeem zou een "ideale" tennisbal kunnen zijn die na elke impact op exact dezelfde hoogte terugkaatst. Dus, het zou onmogelijk zijn om te bepalen of we een video van deze ideale bal voorwaarts of achterwaarts bekijken - beide richtingen zijn even aannemelijk. Als de energie in één systeem blijft, we zouden de richting van de tijd niet meer kunnen bepalen.

Maar dit principe kan ook worden omgekeerd:als we in een systeem een ​​proces waarnemen dat duidelijk maakt in welke richting de tijd loopt, het systeem moet energie verliezen of, preciezer, energie dissiperen, bijvoorbeeld door wrijving.

Terug naar onze mini-motor:Meestal wordt aangenomen dat er tijdens het tunnelen geen wrijving ontstaat. Tegelijkertijd, echter, er wordt geen energie aan het systeem geleverd. Hoe kan het dan dat de rotor altijd in dezelfde richting draait? De tweede wet van de thermodynamica staat geen uitzonderingen toe - de enige verklaring is dat er tijdens het tunnelen energie verloren gaat, ook al is het extreem klein. Gröning en zijn team hebben daarom niet alleen speelgoed ontwikkeld voor moleculaire ambachtslieden. "De motor zou ons in staat kunnen stellen om de processen en redenen voor energiedissipatie in kwantumtunnelingprocessen te bestuderen, ", zegt de Empa-onderzoeker.