Un team di ricerca dell'Empa e dell'EPFL ha sviluppato un motore molecolare che consiste di soli 16 atomi e ruota in modo affidabile in una direzione. Potrebbe consentire la raccolta di energia a livello atomico. La particolarità del motore è che si muove esattamente al confine tra il movimento classico e il tunneling quantistico e ha rivelato fenomeni sconcertanti ai ricercatori nel regno quantistico.

Il motore più piccolo del mondo, composto da soli 16 atomi:è stato sviluppato da un team di ricercatori dell'Empa e dell'EPFL. "Questo ci porta vicino al limite massimo di dimensioni per i motori molecolari, " spiega Oliver Gröning, capo del gruppo di ricerca sulle superfici funzionali dell'Empa. Il motore misura meno di un nanometro, in altre parole è circa 100, 000 volte più piccolo del diametro di un capello umano.

In linea di principio, una macchina molecolare funziona in modo simile alla sua controparte nel mondo macro:converte l'energia in un movimento diretto. Tali motori molecolari esistono anche in natura, ad esempio sotto forma di miosine. Le miosine sono proteine ​​motorie che svolgono un ruolo importante negli organismi viventi nella contrazione dei muscoli e nel trasporto di altre molecole tra le cellule.

Raccolta di energia su scala nanometrica

Come un motore di grandi dimensioni, il motore a 16 atomi è costituito da uno statore e un rotore, cioè una parte fissa e una mobile. Il rotore ruota sulla superficie dello statore (vedi foto). Può assumere sei diverse posizioni. "Affinché un motore possa svolgere effettivamente un lavoro utile, è fondamentale che lo statore permetta al rotore di muoversi in una sola direzione, " spiega Groning.

Poiché l'energia che guida il motore può provenire da una direzione casuale, il motore stesso deve determinare il senso di rotazione utilizzando uno schema a cricchetto. Però, il motore dell'atomo funziona in modo opposto a quello che accade con un cricchetto nel mondo macroscopico con la sua ruota dentata asimmetricamente seghettata:mentre il nottolino su un cricchetto si sposta lungo il bordo piatto e si blocca nella direzione del bordo ripido, la variante atomica richiede meno energia per salire sul bordo ripido della ruota dentata rispetto a quanto richiede sul bordo piatto. Si preferisce quindi il movimento nella consueta 'direzione di blocco' e molto meno probabile il movimento in 'direzione di marcia'. Quindi il movimento è virtualmente possibile solo in una direzione.

I ricercatori hanno implementato questo principio del cricchetto "inverso" in una variante minima utilizzando uno statore con una struttura sostanzialmente triangolare composta da sei atomi di palladio e sei di gallio. Il trucco qui è che questa struttura è simmetrica alla rotazione, ma non speculare.

Di conseguenza, il rotore (una molecola di acetilene simmetrica) costituito da soli quattro atomi può ruotare continuamente, anche se la rotazione in senso orario e antiorario deve essere diversa. "Il motore ha quindi una stabilità direzionale del 99%, che lo distingue da altri motori molecolari simili, " dice Gröning. In questo modo, il motore molecolare apre la strada alla raccolta di energia a livello atomico.

Energia da due fonti

Il minuscolo motore può essere alimentato sia da energia termica che elettrica. L'energia termica provoca che il movimento rotatorio direzionale del motore si trasformi in rotazioni in direzioni casuali, a temperatura ambiente, Per esempio, il rotore ruota avanti e indietro in modo completamente casuale a diversi milioni di giri al secondo. In contrasto, energia elettrica generata da un microscopio a scansione elettronica, dalla cui punta scorre una piccola corrente nei motori, può causare rotazioni direzionali. L'energia di un singolo elettrone è sufficiente per far continuare a ruotare i rotori di appena un sesto di giro. Maggiore è la quantità di energia fornita, maggiore è la frequenza del movimento, ma allo stesso tempo, più è probabile che il rotore si muova in una direzione casuale, poiché troppa energia può vincere il nottolino nella direzione "sbagliata".

Secondo le leggi della fisica classica, c'è una quantità minima di energia richiesta per mettere in moto il rotore contro la resistenza dello scivolo; se l'energia elettrica o termica fornita non è sufficiente, il rotore dovrebbe fermarsi. Sorprendentemente, i ricercatori sono stati in grado di osservare una frequenza di rotazione costante in modo indipendente in una direzione anche al di sotto di questo limite, a temperature inferiori a 17 Kelvin (-256° Celsius) o una tensione applicata inferiore a 30 millivolt.

Dalla fisica classica al mondo quantistico

A questo punto siamo al passaggio dalla fisica classica a un campo più sconcertante:la fisica quantistica. Secondo le sue regole, le particelle possono "tunnel", cioè il rotore può superare lo scivolo anche se la sua energia cinetica è insufficiente in senso classico. Questo movimento del tunnel avviene normalmente senza alcuna perdita di energia. Teoricamente, perciò, entrambe le direzioni di rotazione dovrebbero essere ugualmente probabili in quest'area. Ma sorprendentemente, il motore gira ancora nella stessa direzione con una probabilità del 99%. "La seconda legge della termodinamica afferma che l'entropia in un sistema chiuso non può mai diminuire. In altre parole:se non si perde energia nell'evento tunnel, la direzione del motore dovrebbe essere puramente casuale. Il fatto che il motore ruoti ancora quasi esclusivamente in un senso indica quindi che si perde energia anche durante il movimento della galleria, "dice Groning.

Da che parte scorre il tempo?

Se apriamo un po' di più l'ambito:quando guardiamo un video, di solito possiamo dire chiaramente se il tempo scorre avanti o indietro nel video. Se guardiamo una pallina da tennis, Per esempio, che salta un po' più in alto dopo ogni impatto al suolo, sappiamo intuitivamente che il video viene eseguito all'indietro. Questo perché l'esperienza ci insegna che la palla perde un po' di energia ad ogni impatto e dovrebbe quindi rimbalzare meno in alto.

Se ora pensiamo ad un sistema ideale in cui né si aggiunge né si perde energia, diventa impossibile determinare in quale direzione scorre il tempo. Un tale sistema potrebbe essere una pallina da tennis "ideale" che rimbalza esattamente alla stessa altezza dopo ogni impatto. Così, sarebbe impossibile determinare se stiamo guardando un video di questa palla ideale in avanti o indietro:entrambe le direzioni sono ugualmente plausibili. Se l'energia rimane in un sistema, non saremmo più in grado di determinare la direzione del tempo.

Ma questo principio può anche essere invertito:se osserviamo un processo in un sistema che chiarisce in quale direzione sta andando il tempo, il sistema deve perdere energia o, più precisamente, dissipare energia, ad esempio attraverso l'attrito.

Torniamo al nostro mini-motore:di solito si presume che non si generi attrito durante lo scavo. Allo stesso tempo, però, non viene fornita energia al sistema. Allora come può essere che il rotore giri sempre nella stessa direzione? La seconda legge della termodinamica non ammette eccezioni:l'unica spiegazione è che c'è una perdita di energia durante il tunneling, anche se è estremamente piccolo. Gröning e il suo team non hanno quindi sviluppato solo un giocattolo per artigiani molecolari. "Il motore potrebbe consentirci di studiare i processi e le ragioni della dissipazione di energia nei processi di tunneling quantistico, "dice il ricercatore dell'Empa.