Створено нанодвигун, що складається з 16 атомів

Дослідники з Швейцарського федерального політехнічного університету Лозанни (Swiss Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL), спільно з їх колегами з інших наукових організацій, створили те, що можна назвати одним з найменших двигунів, коли-небудь зроблених людьми. Це крихітне пристрій складається всього з 16 атомів різних хімічних елементів, а працює воно, перебуваючи в “дуже дивною” області, що знаходиться на кордоні між класичною фізикою і квантовою механікою.

Як і двигуни великих масштабів, новий нанодвігатель має рухому частину (ротор) і фіксовану частину (статор). Як статора виступає група з шести атомів паладію і шести атомів галію, які формують трикутну структуру. Ротором є молекула ацетилену, що складається з чотирьох атомів, що обертається на поверхні статора, і все це разом має розмір, що не перевищує одного нанометра.

Такий нанодвігатель може приводитися в дію теплової або електричної енергії, і в останньому випадку він демонструє більш високу ефективність і керованість. В умовах кімнатою температури (за рахунок використання теплової енергії з навколишнього середовища) ротор нанодвігателя постійно обертається, але напрямок обертання ротора є абсолютно випадковою величиною. Коли ж до цього нанодвігателю підводиться електричний потенціал певної полярності за допомогою наконечника скануючого тунельного мікроскопа, ротор починає обертатися в певному напрямку в 99 випадках з 100.

Можливість управління напрямком і швидкістю обертання ротора нанодвігателя за допомогою полярності і величини прикладається до нього електричного потенціалу робить цей двигун більш цікавим, ніж створені раніше інші типи молекулярних двигунів. Новий двигун може бути використаний не тільки для приведення в дії нанорозмірних механізмів і машин, він також може бути використаний в якості генератора, що дозволяє збирати і перетворювати “побічну” енергію, наприклад, тепло, що виділяється при роботі електронних пристроїв.

Самим незвичайним властивістю нового нанодвігателя є те, що його робота, здається, нарешті деяких законів класичної фізики. З точки зору цих законів будь-якого двигуна для його роботи потрібен якийсь мінімальна кількість енергії, що витрачається на подолання сил тертя, опору і т.п. Вчені порівнюють це з велосипедом, їздець якого не обертає педалі, а велосипед, тим не менш, продовжує їхати в гору.

Для роботи нового нанодвігателя потрібні буквально “крихти” теплової або електричної енергії. Його ротор вже буде починати обертатися при температурі в -256 градусів Цельсія або під електричним потенціалом менше 30 мілівольт, чого не повинно відбуватися в принципі з точки зору класичної фізики. Однак, в роботу нанодвігателя втручається явище квантового тунелювання. Це явище полягає в тому, що при певних умовах частинки можуть перескакувати фізичні або енергетичні бар’єри, при цьому, енергії цих частинок недостатньо для подолання цих бар’єрів в звичайних умовах.

Фізикам відомо, що в явищі квантового тунелювання повністю відсутні такі поняття, як тертя і опір. Це, з одного боку, пояснює дуже мала кількість енергії, що вимагається двигуну для початку його роботи. З іншого боку, це піднімає ряд інших питань, на які поки що у вчених немає відповідей, які пов’язані з 99-відсотковою ймовірністю обертання двигуна в одному напрямку, що є непрямим покажчиком на можливі додаткові втрати енергії.


“Новий двигун може стати в майбутньому тим, що буде приводити в дію крихітних нанороботів, які поки є лише предметом наукової фантастики” – пишуть дослідники, – “З іншого боку, він, цей двигун, дозволить нам більш глибоко вивчити явище квантового тунелювання і визначити причини енергетичних втрат в цих процесах “.