Мотор в 16 атомов: изобретения эпохи пандемии

Нанотехнологии в XXI веке развиваются стремительно. Одна из задач этих технологий – создание наномоторов, устройств молекулярного или даже атомного размера, которые способны преобразовывать поступающую к ним энергию в механическое движение. В будущем подобные моторы смогут участвовать в процессах конструирования устройств и материалов с уникальными свойствами, недоступных при нынешнем развитии науки.

Мотор в 16 атомов: изобретения эпохи пандемииВ 1959 году Ричард Фейнман выступил со знаменитым докладом под названием «There’s Plenty of Room at the Bottom» на конференции Американского физического общества, проходившей в Калифорнийском университете. На конференции он заключил публичное научное пари, что ни один человек не может сконструировать двигатель размером менее 400 мкм (толщина человеческого волоса от 40 до 120 мкм).

Целью великого физика было вдохновить ученых на разработку новых технологий. Каждый, кто смог бы разработать подобный наномотор, по условиям пари мог претендовать на приз в 1000 долларов США (сегодня это было бы примерно $9000).

Речь Ричарда Фейнмана вдохновила целое поколение ученых на исследования в области нанотехнологий, которые продолжаются и по сей день.

Атомарный мотор: сделано в Швейцарии, подсмотрено у природы

Группа исследователей из Швейцарской федеральной лаборатории технологии и материалов разработала молекулярный двигатель, который состоит всего из 16 атомов и способен вращаться в заданном направлении. Изобретение может позволить собирать энергию на атомном уровне, например, рассеянное тепло, чтобы затем преобразовывать ее в механическое движение, которое уже можно использовать в различных целях – напрмер, медицинских или даже военных.

Двигатель, имеющий диаметр примерно в 100.000 раз меньший, чем человеческий волос, состоит всего из 16 атомов и является на сегодняшний день самым маленьким в мире.

Мотор в 16 атомов: изобретения эпохи пандемииПо словам руководителя проекта Оливера Грёнинга, устройство приближается к предельным размерам молекулярных двигателей. Дело в том, что на микроуровне на мотор начинают в большей степени воздействовать законы квантовой механики, имеющие свои особенности, в то время как законы макромира уходят на второй план. Бесконечное уменьшение такого рода двигателей, к сожалению, невозможно.

Мотор в 16 атомов: изобретения эпохи пандемииВ принципе, молекулярный мотор функционирует примерно так же, как и его природный аналог: миозин – тканевый белок и один из ключевых компонентов сократительных волокон мышц. Миозины – это, по сути, биологические микропружины, которые играют важную роль в живых организмах при сокращении мышц и в межмолекулярном транспорте внутри организма. Работают они по принципу преобразования химической энергии связей в механическую энергию мышечного соккращения.

Мотор в 16 атомов: изобретения эпохи пандемииАтомарные габариты и вес двигателя, а также отсутствие необходимости во внутреннем источнике питания в перспективе позволят использовать его для построения многофункциональных нанороботов.

Сборка под электромикроскопом

Как и классический крупногабаритный мотор, 16-атомный двигатель состоит из статора и ротора, т.е. неподвижной и подвижной частей. Ротор вращается на поверхности статора и способен занимать шесть разных позиций. Чтобы двигатель действительно выполнял полезную работу (а иначе зачем он нам?), необходимо, чтобы статор позволял ротору двигаться только в одном направлении. В противном случае мы бы наблюдали нечто вроде вибрации комплекса атомов.

Мотор в 16 атомов: изобретения эпохи пандемииХорошо известно, что роторные двигатели, повсеместно применяемые от авиации до вентиляторов, были бы значительно более эффективны, если бы не одно «но» – трение. Как раз это явление полностью отсутствует на уровне наномира, так что можно легко представить себе роторный двигатель, состоящий всего из нескольких атомов, который не потеряет своего КПД в результате трения.

Мотор в 16 атомов: изобретения эпохи пандемииПоскольку энергия, приводящая в движение двигатель, может поступать из любого произвольного направления всей внешней среды, то сам двигатель должен быть способен определять направление вращения по храповой схеме (как в часовом механизме). Этот концепт и был реализован швейцарцами в нановарианте с использованием статора с практически треугольной структурой, состоящего всего из шести атомов палладия и шести атомов галлия. Остальные четыре атома ушли на вращающийся ротор.

В результате исследователи добились, что ротор (симметричная молекула ацетилена), состоящий всего из четырех атомов, оказался способен вращаться непрерывно. Даже в жидком азоте. При этом никакой магии – все подчинено законам физики и естественным переходам одних форм энергии в другие.

Мотор в 16 атомов: изобретения эпохи пандемии«Двигатель имеет 99% курсовой устойчивости, что отличает его от других аналогичных молекулярных двигателей», – говорит Грёнинг.

Мотор в 16 атомов: изобретения эпохи пандемииНесмотря на вдохновляющие результаты, до массового внедрения полезных работающих механизмов размером с дюжину атомов пока еще далеко. Необходимо разработать простые способы получения подобных моторов, интеграцию их в механизмы и преодолеть множество других технических трудностей.

Тем не менее разработка швейцарских ученых имеет не только потенциально практическое значение, но и фундаментальное для науки.

Откуда энергия?

Созданный атомарный двигатель может питаться как от тепловой, так и от электрической энергии. Тепловая энергия приводит к тому, что направленное вращательное движение двигателя меняется на вращение в случайном направлении – при комнатной температуре, например, ротор вращается туда-сюда совершенно хаотичным образом с частотой в несколько миллионов оборотов в секунду! В то же время электрическая энергия, генерируемая электронным сканирующим микроскопом, из наконечника которого в двигатели протекает небольшой ток, может вызывать направленное вращение с заданной скоростью. Энергии всего 6 электронов уже вполне достаточно, чтобы ротор сделал один полный оборот. Чем выше количество подаваемой энергии, тем выше частота движения.

Мотор в 16 атомов: изобретения эпохи пандемииСогласно законам классической физики, существует минимальное количество энергии, необходимое для приведения ротора в движение. Если подаваемой электрической или тепловой энергии недостаточно, ротор будет стоять неподвижно. Удивительно, но исследователи смогли самостоятельно наблюдать постоянную частоту вращения в одном направлении даже ниже этого теоретического предела – при температуре -256 градусов по Цельсию.

Парадоксы квантового движения

В соответствии с законами квантовой механики частицы при таких размерах могут «туннелировать» – то есть фактически это означает, что ротор может вращаться, даже если его кинетическая энергия недостаточна в классическом смысле. Туннельное движение обычно происходит без потерь энергии.

Мотор в 16 атомов: изобретения эпохи пандемииКвантовое туннелирование – это способность частиц проникать за энергетический барьер, величина которого превышает энергию этих частиц. Это как если бы фотоны могли пройти сквозь лист картона на пути в солнечной батарее и заставить ее вырабатывать электричество. Туннельный эффект – явление исключительно квантовой природы, невозможное и даже полностью противоречащее классической механике. С фотонами и картоном такой фокус не проходит, а с нашим мотором и внешней средой – вполне. По крайней мере в 99% случаев – такие вот парадоксы.

Мотор в 16 атомов: изобретения эпохи пандемииОбычно предполагается, что при прохождении туннеля не возникает никакого трения, а значит, энергию нельзя конвентировать в работу, поскольку энергия в систему просто не поступает. Так как же получилось, что ротор всегда поворачивается в одном и том же направлении? Второй закон термодинамики не допускает никаких исключений – единственное объяснение, которое находят исследователи, заключается в том, что при туннелировании каким-то образом все-таки происходит потеря энергии, даже если она крайне мала. Обнаруженные новые эффекты открывают большие перспективы для нового осмысления эффектов квантовой механики в макромире.

Мотор в 16 атомов: изобретения эпохи пандемии

«Двигатель мог бы позволить нам изучить процессы и причины рассеяния энергии в процессах квантового туннелирования»
Грёнинг

Чем лучше мы понимаем поведение атомов и чем лучше мы сможем контролировать их поведение, тем быстрее мы сможем заставить квантовый мир начать работать на нас. И хочется верить, что в один прекрасный день атомный двигатель может быть использован для того, чтобы заложить основу экстраординарных и футуристических нанотехнологий.

Мотор в 16 атомов: изобретения эпохи пандемии

Дмитрий Бурлуцкий