El motor más pequeño del mundo, que consta de solo 16 átomos: fue desarrollado por un equipo de investigadores de Empa y EPFL. "Esto nos acerca al límite máximo de tamaño para motores moleculares", explica Oliver Gröning, director deel Grupo de Investigación de Superficies Funcionales en Empa. El motor mide menos de un nanómetro, en otras palabras, es aproximadamente 100,000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano.
En principio, una máquina molecular funciona de manera similar a su contraparte en el mundo macro: convierte la energía en un movimiento dirigido. Tales motores moleculares también existen en la naturaleza, por ejemplo en forma de miosinas. Las miosinas son proteínas motorasque juegan un papel importante en los organismos vivos en la contracción de los músculos y el transporte de otras moléculas entre las células.
Recolección de energía en la nanoescala
Al igual que un motor a gran escala, el motor de 16 átomos consta de un estator y un rotor, es decir, una parte fija y una móvil. El rotor gira en la superficie del estator ver imagen. Puede ocupar seis posiciones diferentes"Para que un motor realmente haga un trabajo útil, es esencial que el estator permita que el rotor se mueva en una sola dirección", explica Gröning.
Dado que la energía que impulsa el motor puede provenir de una dirección aleatoria, el motor mismo debe determinar la dirección de rotación utilizando un esquema de trinquete. Sin embargo, el motor del átomo funciona en sentido contrario al que ocurre con un trinquete en el mundo macroscópico con su asimétricoRueda dentada dentada: mientras el trinquete en un trinquete se mueve hacia arriba por el borde plano y se bloquea en la dirección del borde empinado, la variante atómica requiere menos energía para subir por el borde empinado de la rueda dentada que en el borde plano.Por lo tanto, se prefiere el movimiento en la 'dirección de bloqueo' habitual y el movimiento en la 'dirección de marcha' es mucho menos probable. Por lo tanto, el movimiento es prácticamente posible solo en una dirección.
Los investigadores han implementado este principio de trinquete "inverso" en una variante mínima mediante el uso de un estator con una estructura básicamente triangular que consta de seis átomos de paladio y seis de galio. El truco aquí es que esta estructura es rotacionalmente simétrica, pero no simétrica en espejo.
Como resultado, el rotor una molécula simétrica de acetileno que consta de solo cuatro átomos puede rotar continuamente, aunque la rotación en sentido horario y antihorario debe ser diferente. "El motor tiene una estabilidad direccional del 99%, lo que lo distingue de otros similares molecularesmotores ", dice Gröning. De esta manera, el motor molecular abre un camino para la recolección de energía a nivel atómico.
Energía de dos fuentes
El pequeño motor puede ser alimentado por energía térmica y eléctrica. La energía térmica provoca que el movimiento rotativo direccional del motor cambie a rotaciones en direcciones aleatorias, por ejemplo, a temperatura ambiente, el rotor gira de un lado a otro completamente al azara varios millones de revoluciones por segundo. En contraste, la energía eléctrica generada por un microscopio de barrido electrónico, desde la punta de la cual fluye una pequeña corriente hacia los motores, puede causar rotaciones direccionales. La energía de un solo electrón es suficiente para hacer que los rotores continúenrotar solo una sexta parte de una revolución. Cuanto mayor sea la cantidad de energía suministrada, mayor será la frecuencia de movimiento, pero al mismo tiempo, es más probable que el rotor se mueva en una dirección aleatoria, ya que demasiada energía puedesuperar el trinquete en la dirección "incorrecta".
De acuerdo con las leyes de la física clásica, se requiere una cantidad mínima de energía para poner el rotor en movimiento contra la resistencia del conducto; si la energía eléctrica o térmica suministrada no es suficiente, el rotor tendría que detenerse. Sorprendentemente, los investigadores pudieron observar una frecuencia de rotación constante e independiente en una dirección, incluso por debajo de este límite, a temperaturas inferiores a 17 Kelvin -256 ° Celsius o un voltaje aplicado de menos de 30 milivoltios.
De la física clásica al mundo cuántico
En este punto, estamos en la transición de la física clásica a un campo más desconcertante: la física cuántica. De acuerdo con sus reglas, las partículas pueden "hacer un túnel", es decir, el rotor puede superar el conducto incluso si su energía cinética es insuficienteen el sentido clásico. Este movimiento del túnel normalmente ocurre sin ninguna pérdida de energía. Teóricamente, por lo tanto, ambas direcciones de rotación deberían ser igualmente probables en esta área. Pero sorprendentemente, el motor todavía gira en la misma dirección con un 99% de probabilidad ".La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía en un sistema cerrado nunca puede disminuir. En otras palabras: si no se pierde energía en el evento de túnel, la dirección del motor debe ser puramente aleatoria. El hecho de que el motor todavía gire casi exclusivamente en unoPor lo tanto, la dirección indica que también se pierde energía durante el movimiento del túnel ", dice Gröning.
¿En qué dirección pasa el tiempo?
Si abrimos el alcance un poco más: cuando miramos un video, generalmente podemos decir claramente si el tiempo se adelanta o retrocede en el video. Si vemos una pelota de tenis, por ejemplo, que salta un poco más alto después de cadaimpacto en el suelo, intuitivamente sabemos que el video se ejecuta hacia atrás. Esto se debe a que la experiencia nos enseña que la pelota pierde algo de energía con cada impacto y, por lo tanto, debería recuperarse menos alto.
Si ahora pensamos en un sistema ideal en el que no se agrega ni pierde energía, es imposible determinar en qué dirección se está ejecutando el tiempo. Tal sistema podría ser una pelota de tenis "ideal" que rebota exactamente a la misma alturadespués de cada impacto. Por lo tanto, sería imposible determinar si estamos viendo un video de esta bola ideal hacia adelante o hacia atrás, ambas direcciones son igualmente plausibles. Si la energía permanece en un sistema, ya no podríamos determinar eldirección del tiempo.
Pero este principio también se puede revertir: si observamos un proceso en un sistema que deja en claro en qué dirección se está ejecutando el tiempo, el sistema debe perder energía o, más precisamente, disipar energía, por ejemplo a través de la fricción.
Volviendo a nuestro minimotor: generalmente se supone que no se genera fricción durante el túnel. Sin embargo, al mismo tiempo, no se suministra energía al sistema. Entonces, ¿cómo puede ser que el rotor gire siempre en la misma dirección?"La segunda ley de la termodinámica no permite ninguna excepción: la única explicación es que hay una pérdida de energía durante el túnel, incluso si es extremadamente pequeña. Por lo tanto, Gröning y su equipo no solo han desarrollado un juguete para artesanos moleculares".El motor podría permitirnos estudiar los procesos y las razones de la disipación de energía en los procesos de túnel cuántico ", dice el investigador de Empa.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorios federales suizos de ciencia y tecnología de materiales EMPA . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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