科学视点

迄今最小马达仅由十六个原子组成 探索微观世界再添新工具

来自瑞士联邦国家实验室(Empa)和洛桑联邦理工学院(EPFL)的科学家开发出了世界上最小的分子马达,其由16个原子组成,并且可以在同一个方向稳定旋转,有望将能量收集推升至原子级。此外,该马达恰好在经典运动与量子隧穿间的边界移动,也可以供科学家研究量子隧穿过程及其中能量耗散的原因。

Empa功能表面研究小组负责人奥利弗·格洛宁说:“这一最小马达不足一纳米,使我们接近分子马达的极限尺寸。”

研究人员解释说,一台分子机器的功能与其在宏观世界中的对应物体相似:将能量转换为定向运动。自然界中也存在这样的分子马达,如肌球蛋白。肌球蛋白是运动蛋白,在生物体的肌肉收缩和在细胞间输送其他分子方面起重要作用。

与大型马达类似,新分子马达由一个定子(固定部分)和一个转子(运动部分)组成,转子在定子表面旋转,可以占据6个不同的位置。格洛宁解释说:“为使马达真正发挥作用,至关重要的是定子必须使转子只能沿一个方向移动。”

结果表明,该分子马达具有99%的方向稳定性,这使其与其他类似的分子马达区别开来,为原子级能量收集开辟了一条途径。

此外,量子物理学定律指出,粒子可以“隧穿”:即使转子的动能在传统意义上不足,转子也可以克服屏障隧穿。这种运动通常在没有任何能量损失的情况下发生。因此,从理论上讲,在传统物理学向量子力学过渡的区域,转子朝两个方向旋转的几率一样,但该分子马达朝同一方向旋转的几率为99%,表明隧穿过程中存在能量损失。

研究人员总结道:“这一迄今最小分子马达不仅为分子科学家开发了探索微观世界的工具,也可以供科学家研究量子隧穿过程及其间能量耗散的原因。”


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