Створено нанодвигатель, що складається всього з 16 атомів і працює на кордоні між класичної фізики та квантової механікою

Jun 29 7:00 2020 Друк цієї статті

Це крихітне пристрій складається всього з 16 атомів різних хімічних елементів, а працює воно, перебуваючи в "дуже дивною" області, що знаходиться на кордоні між класичної фізики та квантової механікою.

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

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

Можливість керування напрямком і швидкістю обертання ротора нанодвигателя 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 у 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 нанодвигателя є те, що його робота, здається, порушує деякі закони класичної фізики. З точки зору цих законів будь-якого двигуна для його роботи потрібна деяка 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 нанодвигателя потрібні буквально "крихітки" теплової або електричної енергії. Його ротор вже буде починати обертатися при температурі -256 градусів Цельсія або під електричним потенціалом менше 30 мілівольт, чого не повинно відбуватися в принципі з точки зору класичної фізики. Однак, в роботу нанодвигателя 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 у звичайних умовах.

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

"Новий двигун може стати в майбутньому тим, що буде приводити в дію крихітних нанороботів, які поки що 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 у цих процесах".