Исследователи из Швейцарских федеральных лабораторий материаловедения и Федеральной политехнической школы Лозанны смогли создать самый маленький двигатель в мире. Двигатель состоит всего из 16 атомов, а его размер меньше одного нанометра, тем не менее, он работает так же, как и обычные моторы — превращает энергию в направленное движение. И точно так же у него есть ротор и статор. Ротор, представляющий собой молекулу ацетилена из четырех атомов, вращается на поверхности статора, стоящего из шести атомов палладия и шести атомов галлия.
Статор одновременно служит аналогом храпового механизма, обеспечивая вращение ротора в одном направлении. По словам ученых, они смогли на 99% обеспечить однонаправленность вращения, и такой результат принципиально отличает их разработку от других атомарных двигателей. Двигатель работает на двух видах энергии — тепловой и электрической. На тепловой энергии ротор вращается в случайном направлении и при комнатной температуре совершает несколько миллионов оборотов в секунду. На электроэнергии, подаваемой с помощью растрового электронного микроскопа, ротор вращается только в одном направлении, и при этом одного электрона достаточно, чтобы провернуть его на одну шествую оборота.
Повышение подачи энергии приводит к более быстрому вращению, но тогда начинает расти вероятность, что ротор начнет двигаться в случайном направлении — ему будет достаточно энергии для преодоления «храпового механизма». Однако двигатель является не просто «молекулярной игрушкой» — ученым он послужил в качестве средства изучения эффекта квантового туннелирования. Согласно законам квантовой физики, атомарный ротор должен был бы преодолевать сопротивление «храпового механизма» даже тогда, когда ему не хватает для этого энергии, и тогда теоретически его движение было бы возможно в равной степени в обоих направлениях, однако на практике этого не происходило. Более того, даже когда на ротор подавалось энергии меньше, чем необходимо для преодоления сопротивления «собачки» и начала движения, он все равно вращался в одном направлении.
«Второй закон термодинамики гласит, что энтропия в замкнутой системе никогда не уменьшается. Другими словами: если при туннелировании не происходит потери энергии, то направление вращение ротора должно быть совершенно случайным. Но то, что вращение по-прежнему происходило практически исключительно в одном направлении, указывает на происходящую во время туннелирования потерю энергии», — говорит один из авторов исследования Оливер Грёнинг.
