Исследователи из Швейцарского федерального политехнического университета Лозанны (Swiss Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL), совместно с их коллегами из других научных организаций, создали то, что можно назвать одним из самых маленьких двигателей, когда-либо сделанных людьми. Это крошечное устройство состоит всего из 16 атомов различных химических элементов, а работает оно, находясь в “очень странной” области, находящейся на границе между классической физикой и квантовой механикой.
Как и двигатели больших масштабов, новый нанодвигатель имеет подвижную часть (ротор) и фиксированную часть (статор). В качестве статора выступает группа из шести атомов палладия и шести атомов галлия, которые формируют треугольную структуру. Ротором является молекула ацетилена, состоящая из четырех атомов, вращающаяся на поверхности статора, и все это вместе имеет размер, не превышающий одного нанометра.
Такой нанодвигатель может приводиться в действие тепловой или электрической энергией, и в последнем случае он демонстрирует более высокую эффективность и управляемость. В условиях комнатой температуры (за счет использования тепловой энергии из окружающей среды) ротор нанодвигателя постоянно вращается, но направление вращения ротора является совершенно случайной величиной. Когда же к этому нанодвигателю подводится электрический потенциал определенной полярности при помощи наконечника сканирующего туннельного микроскопа, ротор начинает вращаться в определенном направлении в 99 случаях из 100.
Возможность управления направлением и скоростью вращения ротора нанодвигателя при помощи полярности и величины прикладываемого к нему электрического потенциала делает этот двигатель более интересным, нежели созданные ранее другие типы молекулярных двигателей. Новый двигатель может быть использован не только для приведения в действия наноразмерных механизмов и машин, он также может быть использован в качестве генератора, позволяющего собирать и преобразовывать “побочную” энергию, к примеру, тепло, выделяющееся при работе электронных устройств.
Самым необычным свойством нового нанодвигателя является то, что его работа, кажется, нарушает некоторые законы классической физики. С точки зрения этих законов любому двигателю для его работы требуется некоторое минимальное количество энергии, расходуемое на преодоление сил трения, сопротивления и т.п. Ученые сравнивают это с велосипедом, ездок которого не вращает педали, а велосипед, тем не менее, продолжает ехать в гору.
Для работы нового нанодвигателя требуются буквально “крохи” тепловой или электрической энергии. Его ротор уже будет начинать вращаться при температуре в -256 градусов Цельсия или под электрическим потенциалом менее 30 милливольт, чего не должно происходить в принципе с точки зрения классической физики. Однако, в работу нанодвигателя вмешивается явление квантового туннелирования. Это явление заключается в том, что при определенных условиях частицы могут перескакивать физические или энергетические барьеры, при этом, энергии этих частиц недостаточно для преодоления этих барьеров в обычных условиях.
Физикам известно, что в явлении квантового туннелирования полностью отсутствуют такие понятия, как трение и сопротивление. Это, с одной стороны, объясняет очень малое количество энергии, требующееся двигателю для начала его работы. С другой стороны, это поднимает ряд других вопросов, на которые пока еще у ученых нет ответов, которые связаны с 99-процентной вероятностью вращения двигателя в одном направлении, что является косвенным указателем на возможные дополнительные потери энергии.
“Новый двигатель может стать в будущем тем, что будет приводить в действие крошечных нанороботов, которые пока являются лишь предметом научной фантастики” – пишут исследователи, – “С другой стороны, он, этот двигатель, позволит нам более глубоко изучить явление квантового туннелирования и определить причины энергетических потерь в этих процессах”.