¿Qué hace el motor más pequeño del mundo? ¿Quién lo inventó?
Los equipos de investigación de Empa y EPFL han desarrollado un motor molecular que consta de solo 16 átomos y puede girar de manera confiable en una dirección. Podría permitir la recolección de energía a nivel atómico. La característica del motor es que se mueve justo en el límite entre el movimiento clásico y el túnel cuántico, y ha revelado fenómenos desconcertantes a los investigadores en el campo cuántico.
El motor eléctrico más pequeño del mundo, compuesto por sólo 16 átomos, desarrollado por investigadores de Empa y EPFL. Oliver Gräning, jefe del grupo de investigación de Superficies Funcionales de Empa, explica: "Esto nos acerca al límite máximo de tamaño de los motores moleculares". ?El tamaño del motor es inferior a un nanómetro, es decir, 100.000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano.
En principio, una máquina molecular funciona de manera similar a su contraparte en el mundo macroscópico: convertir energía en movimiento dirigido. Estos motores moleculares también existen en la naturaleza, por ejemplo en forma de miosina. La miosina es una proteína motora que juega un papel importante en la contracción muscular y el transporte de otras moléculas entre las células de un organismo.
Recolección de energía a nanoescala
Al igual que los grandes motores eléctricos, los motores eléctricos de 16 átomos incluyen un estator y un rotor, es decir, una parte fija y una parte móvil. El rotor gira sobre la superficie del estator. Puede ocupar seis posiciones diferentes. ?Para que un motor eléctrico funcione realmente, es fundamental que el estator permita que el rotor se mueva en una sola dirección?, explica Groening.
Debido a que la energía que impulsa el motor puede provenir de direcciones aleatorias, el propio motor debe utilizar un esquema de trinquete para determinar la dirección de rotación. Sin embargo, el motor atómico funciona en la dirección opuesta a un trinquete con un engranaje dentado asimétrico en el mundo macroscópico: los trinquetes del trinquete se mueven hacia arriba a lo largo del borde plano y se bloquean en la dirección del borde empinado, mientras que la variante atómica requiere mucho más torque Se mueve más energía hacia arriba por el borde empinado del engranaje que por el borde plano. Por lo tanto, normalmente se prefiere el movimiento en la "dirección de bloqueo", mientras que el movimiento en la "dirección de marcha" es mucho menos probable. Por lo tanto, en realidad sólo puede moverse en una dirección.
Los investigadores lograron este principio de trinquete "inverso" con una variación mínima utilizando un estator con una estructura triangular de seis triángulos y seis átomos de paladio. El truco aquí es que esta estructura es rotacionalmente simétrica, no especularmente.
Como resultado, un rotor (una molécula de acetileno simétrica) formado por sólo cuatro átomos puede girar continuamente, aunque las rotaciones en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj deben ser diferentes. ?Como resultado, el motor tiene una estabilidad direccional del 99 por ciento, lo que lo distingue de otros motores moleculares similares?, afirmó Groening. De esta manera, los motores moleculares abren una vía para la recolección de energía a nivel atómico.
Energía de dos fuentes
Los micromotores pueden funcionar mediante energía térmica y eléctrica. La energía térmica hace que el movimiento de rotación direccional del motor gire en direcciones aleatorias; por ejemplo, a temperatura ambiente, el rotor gira hacia adelante y hacia atrás de forma completamente aleatoria a millones de revoluciones por segundo. Por el contrario, la energía eléctrica generada por un microscopio electrónico de barrido provoca una rotación direccional, y la energía eléctrica fluye desde su punta hacia un motor. La energía de un solo electrón es suficiente para mantener el rotor girando sólo un sexto de vuelta. Cuanto mayor es la energía suministrada, mayor es la frecuencia del movimiento, pero al mismo tiempo es más probable que el rotor se mueva en direcciones aleatorias, ya que demasiada energía puede superar un trinquete en la dirección "incorrecta".
Según las leyes de la física clásica, se requiere la cantidad mínima de energía para mover el rotor en relación con la resistencia del conducto. Si no se suministra suficiente energía eléctrica o térmica, se debe detener el rotor. Inesperadamente, los investigadores pudieron observar una frecuencia de rotación constante independiente en una dirección por debajo de este límite, a temperaturas inferiores a 17 Kelvin (-256 grados Celsius) o con voltajes aplicados inferiores a 30 milivoltios.
De la física clásica al mundo cuántico
En este punto, nos encontramos en la transición de la física clásica a un ámbito aún más desconcertante: la física cuántica. Según sus reglas, las partículas pueden "excavarse", es decir, el rotor puede superar el deslizamiento incluso si su energía cinética es insuficiente en el sentido tradicional. Este movimiento de túnel suele producirse sin pérdida de energía. Por lo tanto, en teoría ambos sentidos de rotación deberían ser igualmente posibles en esta zona. Pero, sorprendentemente, el motor sigue girando en la misma dirección con un 99% de probabilidad. ?La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía en un sistema cerrado nunca disminuye.
En otras palabras: si no hay pérdida de energía en el túnel, la dirección del motor debería ser puramente aleatoria.
¿Hacia dónde va el tiempo?
Si encendemos un poco más el osciloscopio: Al ver un vídeo, suele quedar claro si el tiempo avanza o retrocede en el vídeo. Por ejemplo, si miramos una pelota de tenis y salta un poco más alto cada vez que golpea el suelo, entonces intuitivamente sabemos que el vídeo se está reproduciendo al revés. Esto se debe a que la experiencia nos dice que cada vez que golpeas la pelota se pierde algo de energía, por lo que la altura del rebote debe ser menor.
Si consideramos ahora un sistema ideal que ni gana ni pierde energía, es imposible determinar en qué dirección corre el tiempo. Un sistema de este tipo podría ser una pelota de tenis "ideal" que rebota exactamente a la misma altura después de cada impacto. Por lo tanto, es imposible determinar si estamos viendo el vídeo de esta pelota ideal hacia adelante o hacia atrás; ambas direcciones son igualmente razonables. Si la energía permaneciera en un sistema, ya no podríamos determinar la dirección del tiempo.
Sin embargo, este principio también se puede invertir: si observamos un proceso en un sistema que indica claramente en qué dirección corre el tiempo, entonces el sistema debe perder energía, o más bien disipar energía, como por ejemplo a través de la fricción.
Volviendo a nuestros micromotores: a menudo se supone que no se produce fricción durante la excavación de túneles. Sin embargo, al mismo tiempo no se suministra energía al sistema. Entonces, ¿cómo se hace para que el rotor gire siempre en la misma dirección? La segunda ley de la termodinámica no admite excepciones: la única explicación es que la pérdida de energía es muy pequeña, incluso durante la construcción de túneles. Así pues, Groening y su equipo no sólo desarrollaron juguetes para artesanos moleculares. Los investigadores de Empa dijeron: "El motor eléctrico nos permite estudiar los procesos y las causas de la disipación de energía durante el túnel cuántico". ?