Apróság

Az Empa és az EPFL kutatócsoportja kifejlesztett egy molekuláris motort, amely mindössze 16 atomból áll, és megbízhatóan forog egy irányban. Az új szerkezet lehetővé teheti az energiatermelést atomi szinten, különlegessége pedig, hogy pontosan a klasszikus fizika által szabályozott mozgás és a kvantum-alagút hatás közötti határon dolgozik, ezzel rejtélyes jelenségeket tárva fel a kvantum-világ  kutatóinak.

"Megközelítettük a molekuláris motorok végső méretkorlátját" - magyarázza Oliver Gröning, az Empa Funkcionális Felületek Kutató Csoportjának vezetője. A motor kevesebb, mint egy nanométer - más szóval, körülbelül 100 000-szer kisebb, mint az emberi haj átmérője.

Elvileg egy molekuláris gép hasonló módon működik, mint a makrovilágban lévő megfelelője: az energiát irányított mozgássá alakítja. Ilyen molekuláris motorok a természetben is léteznek - például miozinok formájában. A miozinok olyan motorfehérjék, fontos szerepet játszanak az élő szervezetekben az izmok összehúzódásában és más molekulák sejtek közötti szállításában.

Energiatermelés a nanoméretekben

Mint egy nagyméretű motor, a 16 atomból álló motor állórészből és rotorból, azaz egy rögzített és egy mozgó részből áll. A forgórész az állórész felületén forog, és hat különböző pozíciót foglalhat el.

"Ahhoz, hogy a motor valóban hasznos munkát végezzen, elengedhetetlen, hogy az állórész úgy szabályozza a forgórész mozgását, hogy az csak egy irányba tudjon elfordulni" - magyarázza Gröning.

Inverz racsni

Mivel a motort meghajtó energia érkezési iránya véletlenszerű, maga a motor határozza meg a forgásirányt egy racsnis rendszer segítségével. Az atommotor azonban épp ellentétesen működik, mint ami egy makroszkopikus világból ismerős racsnival történik, aszimmetrikusan fogazott fogaskerekeivel.

Amíg a racsni csapja felfelé mozog a lapos él mentén és a meredek él irányába rögzül, addig az atomos változat kevesebb energiát igényel ahhoz, hogy a fogaskerék meredek szélén felfelé mozogjon, mint a lapos élnél. Ezért a szokásos „blokkoló irányban” történő mozgás előnyös, és a „futás irányába” történő mozgás sokkal kevésbé valószínű. Tehát a mozgás gyakorlatilag csak egy irányba lehetséges.

A kutatók a „fordított” racsnis elv minimalista változatát valósították meg, háromszög alakú állórészt használva, amely mindössze hat palládium és hat gallium atomból áll. A trükk az, hogy ez a szerkezet forgásszimmetrikus, de nem tükörszimmetrikus.

Ennek eredményeként a csak négy atomból álló rotor (szimmetrikus acetilén molekula) folyamatosan foroghat, bár az óramutató járásával ellentétes és az azzal megegyező forgásoknak különbözniük kell. "A motor így 99 százalékos iránystabilitással rendelkezik, ami megkülönbözteti a többi hasonló molekuláris motortól" - mondta el Gröning. Ilyen módon a molekuláris motor utat nyithat az atomi szintű energiatermeléshez.

Tápenergia két forrásból is

Az apró motor mind hő-, mind villamos energiával táplálható. A hőenergia azt váltja ki, hogy a motor irányított forgásiránya véletlenszerűen forgásirányokra változik, szobahőmérsékleten például a forgórész teljesen véletlenszerűen előre-hátra forog másodpercenként több millió fordulattal. 

Ezzel szemben az elektromos energia, melyet egy pásztázó elektronmikroszkóp által termeltek, melynek hegyéből apró áram folyt a motorokba, irányított forgást tett lehetővé. Egyetlen elektron energiája elegendő volt ahhoz, hogy a forgórészek tovább fordulva, egy fordulat hatodrészét megtegyék. Minél nagyobb volt az energiamennyiség, annál nagyobb volt a mozgás frekvenciája, ugyanakkor annál valószínűbbé vált az is, hogy a forgórész véletlenszerű irányban mozog majd, mivel a túl sok energia képes a „rossz” irányba fordítani a csapot a racsnin.

A klasszikus fizika törvényei szerint van egy minimális mennyiségű energia, ami ahhoz szükséges, hogy a forgórészt mozgásba lehessen hozni. Ha a szolgáltatott villamos vagy hőenergia nem elegendő ehhez, a forgórésznek le kell állnia. Meglepő módon a kutatók képesek voltak független és állandó forgási frekvenciát megfigyelni egy irányban, még ezen határérték alatt is, -256 ° Celsius fok alatti hőmérsékleten vagy 30 millivoltnál alacsonyabb alkalmazott feszültségnél.

A klasszikus fizikától a kvantumvilágig

Ezen a ponton már átmenetben vagyunk a klasszikus fizika birodalmából egy rejtélyesebb területre: a kvantumfizika világába. Az itt érvényes szabályok szerint a részecskék "alagutazhatnak", azaz a forgórész akkor is képes legyőzni a csapot, ha kinetikus energiája klasszikus értelemben ehhez nem elegendő. 

Ez az alagutazó mozgás ráadásul energiaveszteség nélkül zajlik, ezért elméletileg mindkét forgásiránynak valószínűnek kell lennie. Meglepő módon a kísérletekben a motor továbbra is 99 százalékos valószínűséggel ugyanabba az irányba forgott.

"A termodinamika második törvénye szerint zárt rendszerben az entrópia soha nem csökkenhet. Más szavakkal: ha az alagúthatás fellépése során nem veszítünk energiát, akkor a motor irányának tisztán véletlenszerűnek kell lennie. Az a tény, hogy a motor továbbra is szinte kizárólag egy irányba forog, azt jelzi, hogy az alagút-mozgás közben is veszít energiát” - mutatott rá Gröning.

Merre tart az idő?

Ha kissé távolabbról is ránézünk a kérdésre, újabb furcsa eseményeket tapasztalhatunk. Ha egy filmet nézünk valamiről, általában egyértelműen meg tudjuk mondani, hogy az idő előre vagy hátrafelé mozog-e a filmben. Ha például egy teniszlabdát látunk, ami egy kicsit magasabbra ugrik minden egyes felpattanás után a földről, akkor intuitív módon tudjuk, hogy a film időben visszafelé kerül lejátszásra. Ennek az az oka, hogy a tapasztalatok megtanítják nekünk, hogy a labda minden felpattanás során energiát veszít, ezért alacsonyabbra fog felpattanni a következő alkalommal.

Ha egy olyan ideális rendszerre gondolunk, melyhez nem nem adunk hozzá energiát, és el sem veszünk belőle, akkor lehetetlenné válik annak meghatározása, hogy az idő melyik irányba halad.

Egy ilyen rendszer modellje lehet egy „ideális” teniszlabda, amely minden ütés után pontosan ugyanolyan magasságba ugrál vissza, tehát ha filmet látunk róla, lehetetlen megállapítani, hogy nézünk-e előre vagy hátrafelé történik a lejátszás, mindkét irány egyformán valószínű lesz. Ha az energia a rendszeren belül marad, akkor már nem lennénk képesek meghatározni az idő folyásirányát.

Ezt az elvet persze meg is lehet fordítani: Ha egy rendszerben megfigyelünk egy folyamatot, amely világossá teszi, hogy az idő melyik irányba fut, akkor a rendszernek energiát kell veszítenie, vagy még pontosabban terítenie kell az energiát, például súrlódás révén.

Fundamentális felfedezés

A fizikusok általában azt feltételezik, hogy az alagúthatás során nem keletkezik súrlódás, ugyanakkor természetesen a rendszer nem jut többlet energiához sem. Tehát hogyan lehetséges, hogy a forgórész mindig ugyanabba az irányba forog? A termodinamika második törvénye nem engedélyez kivételeket, tehát az egyetlen magyarázat az, hogy

az alagúthatás során mégis történik energiaveszteség, még akkor is, ha ez rendkívül kicsi. Gröning és csapata tehát valami igazán perdöntőbe és fundamentálisba botlott miközben az atomokkal legóztak.

"Ez a minimotor lehetővé teheti számunkra, hogy megvizsgáljuk az energia eloszlás folyamatait és okait a kvantum-alagút folyamatokban"- mondta az Empa kutatója.

(Forrás: ScienceDaily Képek: Pixabay)