Один из самых миниатюрных двигателей в мире состоит из одной молекулы ацетилена, которая вращается на статоре из 12 молекул палладия и галлия.
На схеме нанодвигателя серым показаны атомы молекулы ацетилена, красным – атомы галлия, синим – палладия / ©Empa
Швейцарские ученые сумели собрать один из самых крошечных двигателей в мире: система состоит из ровным счетом 16 атомов и работает, по выражению авторов, на границе классической и квантовой физики. Наноустройство, полученное специалистами Швейцарских национальных лабораторий материаловедения (Empa) и Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), представлено в статье, опубликованной в журнале PNAS. Размер всей системы не достигает и нанометра.
Подобно обычным макроскопическим двигателям, система включает и движущуюся часть (ротор), и неподвижную (статор). Только в этом случае статор образован из шести атомов палладия и шести — галлия, образующих два равносторонних треугольника, наложенных друг на друга. Ротор же состоит из четырехатомной молекулы ацетилена.
Он вращается в случайном направлении на поверхности статора под действием обычной тепловой энергии, при комнатной температуре совершая несколько миллионов оборотов в секунду. Однако если к устройству подвести электричество — ученые проделали это с помощью иглы сканирующего электронного микроскопа, — то его стабильный приток заставляет ацетилен совершать поворот в одном и том же направлении в 99 случаях из 100. По словам авторов, на один поворот требуется шесть электронов.
Достигается это за счет наноразмерного аналога храпового механизма. В обычном храповике поворот в обратном направлении блокируется собачкой, которая упирается в зубья особой несимметричной формы. Так и в «атомарном двигателе»: структура статора не имеет зеркальной симметрии, делая вращение молекулы ацетилена в одном направлении предпочтительнее, чем в противоположном.
В некоторых условиях 16-атомное наноустройство проявляло и свою квантовую природу. Так, двигатель продолжал работать, даже когда получал тепловой и электрической энергии меньше предела, необходимого на вращение, при температурах ниже 17 Кельвинов (минус 256 °C) и подаваемом напряжении менее 30 мВт. Авторы объясняют это туннельным эффектом — способностью микрочастиц спонтанно преодолевать энергетические барьеры, не имеющей аналогов в нашем макроскопическом мире.
Ученые надеются, что когда-нибудь такие устройства смогут приводить в движение наномашины — такие как «нанокран» или «нанофабрику», о которых мы писали раньше.
