迄今最小馬達(dá)僅由十六個(gè)原子組成 可同一方向穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)

據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)16日?qǐng)?bào)道，來自瑞士聯(lián)邦國家實(shí)驗(yàn)室(Empa)和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)的科學(xué)家開發(fā)出了世界上最小的分子馬達(dá)，其由16個(gè)原子組成，并且可以在同一個(gè)方向穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，有望將能量收集推升至原子級(jí)。此外，該馬達(dá)恰好在經(jīng)典運(yùn)動(dòng)與量子隧穿間的邊界移動(dòng)，也可以供科學(xué)家研究量子隧穿過程及其中能量耗散的原因。

Empa功能表面研究小組負(fù)責(zé)人奧利弗·格洛寧說：“這一最小馬達(dá)不足一納米，使我們接近分子馬達(dá)的極限尺寸。”

研究人員解釋說，一臺(tái)分子機(jī)器的功能與其在宏觀世界中的對(duì)應(yīng)物體相似：將能量轉(zhuǎn)換為定向運(yùn)動(dòng)。自然界中也存在這樣的分子馬達(dá)，如肌球蛋白。肌球蛋白是運(yùn)動(dòng)蛋白，在生物體的肌肉收縮和在細(xì)胞間輸送其他分子方面起重要作用。

與大型馬達(dá)類似，新分子馬達(dá)由一個(gè)定子(固定部分)和一個(gè)轉(zhuǎn)子(運(yùn)動(dòng)部分)組成，轉(zhuǎn)子在定子表面旋轉(zhuǎn)，可以占據(jù)6個(gè)不同的位置。格洛寧解釋說：“為使馬達(dá)真正發(fā)揮作用，至關(guān)重要的是定子必須使轉(zhuǎn)子只能沿一個(gè)方向移動(dòng)。”

結(jié)果表明，該分子馬達(dá)具有99%的方向穩(wěn)定性，這使其與其他類似的分子馬達(dá)區(qū)別開來，為原子級(jí)能量收集開辟了一條途徑。

此外，量子物理學(xué)定律指出，粒子可以“隧穿”：即使轉(zhuǎn)子的動(dòng)能在傳統(tǒng)意義上不足，轉(zhuǎn)子也可以克服屏障隧穿。這種運(yùn)動(dòng)通常在沒有任何能量損失的情況下發(fā)生。因此，從理論上講，在傳統(tǒng)物理學(xué)向量子力學(xué)過渡的區(qū)域，轉(zhuǎn)子朝兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的幾率一樣，但該分子馬達(dá)朝同一方向旋轉(zhuǎn)的幾率為99%，表明隧穿過程中存在能量損失。

研究人員總結(jié)道：“這一迄今最小分子馬達(dá)不僅為分子科學(xué)家開發(fā)了探索微觀世界的工具，也可以供科學(xué)家研究量子隧穿過程及其間能量耗散的原因。”(記者劉霞)

總編輯圈點(diǎn)

將宏觀世界的概念“馬達(dá)”引入到分子層面，就是所謂的“分子馬達(dá)”。分子馬達(dá)可謂世界上最小的電動(dòng)機(jī)，在合適的外界刺激下，它能夠進(jìn)行機(jī)械做功。本研究中，科研人員制備的分子馬達(dá)則更為“迷你”，只由16個(gè)原子組成。除了可以收集能量外，它還有一個(gè)重要意義。這種分子馬達(dá)的轉(zhuǎn)子朝向并非隨機(jī)，其朝同一方向旋轉(zhuǎn)的幾率為99%。這意味著，在粒子隧穿過程中，產(chǎn)生了能量損失。因此，它對(duì)量子研究也有啟發(fā)意義，可進(jìn)一步探索量子隧穿過程中的能量耗散如何發(fā)生。