作者卡琳·温曼，瑞士联邦材料科学与技术实验室 Empa和EPFL的一个研究小组已经开发出一种分子马达，它只有16个原子，可以可靠地向一个方向旋转
它可以在原子水平上收集能量
这种马达的特殊之处在于它恰好在经典运动和量子隧道之间的边界上运动——并且向量子领域的研究人员揭示了令人困惑的现象
信用:Empa Empa和EPFL的一个研究小组已经开发出一种分子马达，它只有16个原子，可以可靠地向一个方向旋转
它可以在原子水平上收集能量
马达的特殊之处在于它恰好在经典运动和量子隧穿之间的边界上运动——并且向量子领域的研究人员揭示了令人困惑的现象
世界上最小的马达——仅由16个原子组成:这是由Empa和EPFL的一组研究人员开发的
“这使我们接近分子马达的最终尺寸极限，”Empa功能表面研究小组组长奥利弗·葛宁解释道
该马达的尺寸不到一纳米——换句话说，它比人类头发的直径小10万倍左右
原则上，分子机器的功能与宏观世界中的对应机器相似:它将能量转化为定向运动
这种分子马达也存在于自然界——例如以肌球蛋白的形式
肌球蛋白是运动蛋白，在生物体肌肉收缩和细胞间其他分子运输中发挥重要作用
纳米尺度的能量收集 像大型电机一样，16原子电机由定子和转子组成，即
e
固定部分和移动部分
转子在定子表面旋转(见图)
它可以占据六个不同的位置
葛宁解释说:“为了让电机真正做有用的工作，定子必须允许转子只向一个方向运动。”
因为驱动马达的能量可以来自一个随机的方向，马达本身必须使用棘轮机制来决定旋转的方向
然而，原子马达的工作原理与宏观世界中棘轮不对称锯齿齿轮的情况相反:当棘轮上的棘爪向上移动到平边并锁定在陡边的方向时，原子变型在齿轮的陡边上移动比在平边上移动需要更少的能量
因此，通常的“阻挡方向”的运动是优选的，而“运行方向”的运动可能性要小得多
所以运动实际上只可能在一个方向上
六个哑铃状乙炔转子分子在不同旋转状态下的光子晶体镓表面的扫描隧道显微镜图像(放大约5000万倍)
定子(蓝红色)和乙炔转子(稍微向左倾斜的垂直方向为灰白色)的按比例原子结构示意性地显示在右侧
信用:Empa 研究人员已经在一个最小的变体中实现了这种“反向”棘轮原理，使用了一个基本上为三角形结构的定子，该定子由六个钯和六个镓原子组成
这里的诀窍是这个结构是旋转对称的，但不是镜像对称的
因此，仅由四个原子组成的转子(对称的乙炔分子)可以连续旋转，尽管顺时针和逆时针旋转必须不同
“因此，该马达具有99%的方向稳定性，这使其区别于其他类似的分子马达，”葛宁说
通过这种方式，分子马达为原子水平的能量收集开辟了一条道路
来自两个来源的能量 这种微型马达既可以由热能驱动，也可以由电能驱动
热能促使马达的定向旋转运动变成随机方向的旋转——例如，在室温下，转子以每秒几百万转的速度完全随机地来回旋转
相比之下，电子扫描显微镜产生的电能，从其尖端流入电机的小电流，可以引起定向旋转
单个电子的能量足以使转子继续旋转六分之一圈
提供的能量越多，运动的频率就越高——但与此同时，转子越有可能在随机方向上运动，因为过多的能量会在“错误的”方向上克服棘爪
根据经典物理定律，克服斜槽的阻力使转子运动所需的能量最小；如果供应的电能或热能不足，转子将不得不停止
令人惊讶的是，研究人员能够观察到一个方向上独立恒定的旋转频率，甚至低于这个极限——温度低于17吕克(-256摄氏度)，或者施加的电压低于30毫伏
从经典物理到量子世界 在这一点上，我们正处于从经典物理到一个更令人困惑的领域:量子物理的过渡阶段
根据它的规则，粒子可以“隧穿”——也就是说，转子可以克服斜槽，即使它的动能在经典意义上是不够的
这种隧道运动通常不会损失任何能量
因此，从理论上讲，两个旋转方向在这个区域应该是相同的
但令人惊讶的是，马达仍然以99%的概率向同一个方向转动
热力学第二定律指出，封闭系统中的熵永远不会减少
换句话说:如果在隧道事件中没有能量损失，电机的方向应该是完全随机的
因此，马达仍然几乎只朝一个方向旋转的事实表明，在隧道运动过程中，能量也会损失，”葛宁说
时间往哪边跑？ 如果我们把范围再开一点:当我们看一个视频的时候，我们通常可以清楚地分辨出时间是在视频中向前还是向后跑
例如，如果我们观看一个网球，它在每次撞击地面后跳得更高一点，我们直观地知道视频是向后运行的
这是因为经验告诉我们，球每次撞击都会损失一些能量，因此反弹的高度应该会降低
如果我们现在想到一个理想的系统，在这个系统中，能量既不增加也不损失，那么就不可能确定时间在朝哪个方向运行
这样的系统可能是一个“理想的”网球，在每次撞击后以完全相同的高度弹回
因此，不可能确定我们是在看这个理想球向前还是向后的视频——两个方向都是一样的
如果能量保留在一个系统中，我们将不再能够确定时间的方向
但是这个原理也可以颠倒过来:如果我们观察一个系统中的一个过程，这个过程清楚地表明了时间在哪个方向上运行，那么这个系统必须失去能量，或者更准确地说，耗散能量——例如通过摩擦
回到我们的微型马达:通常假设在隧道挖掘过程中不会产生摩擦
然而，与此同时，没有能量供应给系统
那么怎么可能转子总是同向转动呢？热力学第二定律不允许有任何例外——唯一的解释是在隧穿过程中有能量损失，即使它非常小
因此，葛宁和他的团队不仅为分子工匠开发了一种玩具
Empa研究人员说:“马达可以让我们研究量子隧道过程中能量耗散的过程和原因。”
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