Дослідники з Empa і EPFL зібрали один з найменших двигунів, коли-небудь створених. Він складається з 16 атомів, і при такому крихітному розмірі він, здається, функціонує прямо на кордоні між класичною фізикою і квантовою.
Як і його макроскопічні аналоги, цей міні-двигун складається з рухомої частини (ротора) і нерухомої частини (статора).
Статор у цьому випадку являє собою скупчення з шести атомів паладію і шести атомів галію, розташованих у грубій трикутній формі. Між тим, ротор являє собою чотириатомну молекулу ацетилену, яка обертається на поверхні статора. Вся машина має розміри менше нанометра в ширину.
Молекулярний двигун може живитися як тепловою, так і електричною енергією, хоча остання виявилася набагато більш корисною. Наприклад, при кімнатній температурі було виявлено, що ротор обертається випадковим чином. Але коли електричний струм застосовувався за допомогою електронного скануючого мікроскопа, ротор обертався в одному напрямку з 99-відсотковою стабільністю.
Це, за словами вчених, робить його набагато більш практичним, ніж попередні молекулярні двигуни. Зрештою, його можна було б використовувати не тільки для переміщення крихітних машин, але і для збору енергії на нанорівні.
Але є ще кілька дивних особливостей нового мотора. Він обертається в одному напрямку так само, як звичайний двигун, використовуючи схему храпового механізму. Зазвичай це робиться за допомогою зубчастої передачі з похилими зубами і собачкою, яка ковзає по плоскій стороні зубів, але не може піднятися назад по крутому боці, змушуючи рухатися в один бік.
Однак у цьому випадку молекулярний двигун працює в зворотному напрямку. Чомусь ротор воліє рухатися проти зубів, піднімаючись по крутому схилу і ігноруючи рівний маршрут. Як би нелогічно це не звучало, ефект в основному один і той же, тому ротор як і раніше обертається в одному напрямку.
Ще одна дивина полягає в тому, що молекулярний двигун, мабуть, порушує закон класичної фізики. Як ми спочатку розуміємо на макрорівні, для подолання опору руху потрібна мінімальна кількість енергії - наприклад, на велосипеді ви не можете просто перестати крутити педалі і очікувати, що поїдете в гору.
Але так чи інакше, це в основному те, що робив цей міні-мотор. Дослідники виявили, що ротор рухається навіть при незначній кількості теплової або електричної енергії - набагато менше, ніж «повинно» було знадобитися, щоб змусити його обертатися.
Замість цього, схоже, відбувається явище, відоме як квантове тунелювання. По суті, частинки регулярно спостерігаються «тунелюючими» бар'єрами, які вони не мають енергії для нормального подолання бар'єру. Повертаючись до аналогії з велосипедом, це не стільки схоже на ковзання на вершину пагорба без педалей, скільки на телепортацію на інший його бік.
Але навіть це пояснення викликає подальші питання. Квантове тунелювання вважається безфрикційним, але якби це було так, ротор обертався б у будь-якому напрямку випадковим чином. Той факт, що він віддає перевагу одному напрямку з імовірністю 99 відсотків, говорить про те, що енергія втрачається під час цього процесу.
«Двигун може дозволити нам вивчити процеси і причини дисипації енергії в процесах квантового тунелювання», - говорить Олівер Гренінг, провідний автор дослідження.
Роботи була опублікована в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences. Анімацію двигуна можна побачити на відео.
