Un equipo de investigación de Empa y EPFL ha desarrollado un motor molecular que consta de solo 16 átomos y gira de manera confiable en una dirección. Podría permitir la recolección de energía a nivel atómico. La característica especial del motor es que se mueve exactamente en el límite entre el movimiento clásico y el túnel cuántico, y ha revelado fenómenos desconcertantes a los investigadores en el ámbito cuántico.

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 de los motores moleculares, "explica Oliver Gröning, jefe del Grupo de Investigación de Superficies Funcionales de Empa. El motor mide menos de un nanómetro, es decir, alrededor de 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. Estos motores moleculares también existen en la naturaleza, por ejemplo, en forma de miosinas. Las miosinas son proteínas motoras que 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 a nanoescala

Como un motor a gran escala, el motor de 16 átomos consta de un estator y un rotor, es decir, una parte fija y otra móvil. El rotor gira sobre la superficie del estator (ver imagen). Puede ocupar seis posiciones diferentes. "Para que un motor 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 propio motor debe determinar la dirección de rotación mediante un esquema de trinquete. Sin embargo, el motor atómico funciona de manera opuesta a lo que sucede con un trinquete en el mundo macroscópico con su rueda dentada dentada asimétrica:mientras que el trinquete de un trinquete sube 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 carrera" es mucho menos probable. De modo que el movimiento prácticamente solo es posible 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 simétrico al espejo.

Como resultado, el rotor (una molécula de acetileno simétrica) que consta de solo cuatro átomos puede girar continuamente, aunque la rotación en sentido horario y antihorario debe ser diferente. "Por lo tanto, el motor tiene una estabilidad direccional del 99%, que lo distingue de otros motores moleculares similares, "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 funcionar tanto con energía térmica como eléctrica. La energía térmica provoca que el movimiento giratorio direccional del motor cambie a rotaciones en direcciones aleatorias, a temperatura ambiente, por ejemplo, el rotor gira hacia adelante y hacia atrás completamente al azar a varios millones de revoluciones por segundo. A diferencia de, 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 sigan girando solo una sexta parte de una revolución. Cuanto mayor sea la cantidad de energía suministrada, cuanto mayor sea la frecuencia de movimiento, pero al mismo tiempo, cuanto más probable es que el rotor se mueva en una dirección aleatoria, ya que demasiada energía puede vencer al trinquete en la dirección "incorrecta".

Según las leyes de la física clásica, se requiere una cantidad mínima de energía para poner el rotor en movimiento contra la resistencia de la rampa; si la energía eléctrica o térmica suministrada no es suficiente, el rotor tendría que detenerse. Asombrosamente, los investigadores pudieron observar una frecuencia de rotación constante e independiente en una dirección incluso por debajo de este límite, a temperaturas por debajo de 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. Según sus reglas, las partículas pueden "hacer un túnel", es decir, el rotor puede superar la rampa incluso si su energía cinética es insuficiente en el sentido clásico. Este movimiento de túnel ocurre normalmente sin pérdida de energía. Teóricamente por lo tanto, ambas direcciones de rotación deben ser igualmente probables en esta área. Pero sorprendentemente el motor aún 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 siga girando casi exclusivamente en una dirección indica, por tanto, que también se pierde energía durante el movimiento del túnel. "dice Gröning.

¿De qué manera corre el tiempo?

Si abrimos un poco más el visor:cuando miramos un vídeo, Por lo general, podemos decir claramente si el tiempo avanza o retrocede en el video. Si miramos una pelota de tenis, por ejemplo, que salta un poco más alto después de cada impacto en el suelo, intuitivamente sabemos que el video se ejecuta al revés. Esto se debe a que la experiencia nos enseña que la pelota pierde algo de energía con cada impacto y, por lo tanto, debe rebotar menos alto.

Si pensamos ahora en un sistema ideal en el que no se añade ni se pierde energía, resulta imposible determinar en qué dirección corre el tiempo. Tal sistema podría ser una pelota de tenis "ideal" que rebota exactamente a la misma altura después de cada impacto. Entonces, Sería imposible determinar si estamos viendo un video de esta pelota ideal hacia adelante o hacia atrás; ambas direcciones son igualmente plausibles. Si la energía permanece en un sistema, ya no podríamos determinar la dirección del tiempo.

Pero este principio también se puede invertir:si observamos un proceso en un sistema que deja claro en qué dirección corre el tiempo, el sistema debe perder energía o, más precisamente, disipar la energía, por ejemplo a través de la fricción.

Volviendo a nuestro minimotor:generalmente se asume que no se genera fricción durante el túnel. Al mismo tiempo, sin embargo, no se suministra energía al sistema. Entonces, ¿cómo puede ser que el rotor siempre gire en la misma dirección? La segunda ley de la termodinámica no permite excepciones; la única explicación es que hay una pérdida de energía durante la construcción de túneles, incluso si es extremadamente pequeño. Por 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.