Uma equipe de pesquisa da Empa e da EPFL desenvolveu um motor molecular que consiste em apenas 16 átomos e gira de maneira confiável em uma direção. Isso poderia permitir a coleta de energia em nível atômico. A característica especial do motor é que ele se move exatamente na fronteira entre o movimento clássico e o tunelamento quântico - e revelou fenômenos intrigantes para os pesquisadores do reino quântico.

O menor motor do mundo - consistindo de apenas 16 átomos:foi desenvolvido por uma equipe de pesquisadores da Empa e da EPFL. "Isso nos aproxima do limite de tamanho final para motores moleculares, "explica Oliver Gröning, Chefe do Grupo de Pesquisa de Superfícies Funcionais da Empa. O motor mede menos de um nanômetro - em outras palavras, é cerca de 100, 000 vezes menor que o diâmetro de um fio de cabelo humano.

Em princípio, uma máquina molecular funciona de maneira semelhante à sua contraparte no mundo macro:ela converte energia em um movimento direcionado. Esses motores moleculares também existem na natureza - por exemplo, na forma de miosinas. As miosinas são proteínas motoras que desempenham um papel importante nos organismos vivos na contração dos músculos e no transporte de outras moléculas entre as células.

Coleta de energia em nanoescala

Como um motor em grande escala, o motor de 16 átomos consiste em um estator e um rotor, ou seja, uma parte fixa e uma parte móvel. O rotor gira na superfície do estator (veja a imagem). Pode ocupar seis posições diferentes. "Para que um motor realmente faça um trabalho útil, é essencial que o estator permita que o rotor se mova em apenas uma direção, "explica Gröning.

Uma vez que a energia que move o motor pode vir de uma direção aleatória, o próprio motor deve determinar o sentido de rotação usando um esquema de catraca. Contudo, o motor atômico opera o oposto do que acontece com uma catraca no mundo macroscópico com sua roda dentada assimetricamente serrilhada:enquanto a lingueta em uma catraca se move para cima na borda plana e trava na direção da borda íngreme, a variante atômica requer menos energia para subir a borda íngreme da roda dentada do que na borda plana. O movimento na 'direção de bloqueio' usual é, portanto, preferido e o movimento na 'direção de execução' muito menos provável. Portanto, o movimento só é virtualmente possível em uma direção.

Os pesquisadores implementaram este princípio de catraca "reversa" em uma variante mínima, usando um estator com uma estrutura basicamente triangular composta por seis átomos de paládio e seis de gálio. O truque aqui é que essa estrutura é rotacionalmente simétrica, mas não simétrico em espelho.

Como resultado, o rotor (uma molécula de acetileno simétrica) consistindo em apenas quatro átomos pode girar continuamente, embora a rotação no sentido horário e anti-horário deva ser diferente. "O motor, portanto, tem 99% de estabilidade direcional, que o distingue de outros motores moleculares semelhantes, "diz Gröning. Desta forma, o motor molecular abre um caminho para a coleta de energia no nível atômico.

Energia de duas fontes

O minúsculo motor pode ser alimentado por energia térmica e elétrica. A energia térmica provoca que o movimento rotativo direcional do motor muda para rotações em direções aleatórias - em temperatura ambiente, por exemplo, o rotor gira para frente e para trás de forma completamente aleatória a vários milhões de rotações por segundo. Em contraste, energia elétrica gerada por um microscópio eletrônico de varredura, da ponta da qual uma pequena corrente flui para os motores, pode causar rotações direcionais. A energia de um único elétron é suficiente para fazer os rotores continuarem girando por apenas um sexto de revolução. Quanto maior a quantidade de energia fornecida, quanto maior a frequência de movimento, mas ao mesmo tempo, é mais provável que o rotor se mova em uma direção aleatória, já que muita energia pode superar a lingueta na direção "errada".

De acordo com as leis da física clássica, existe uma quantidade mínima de energia necessária para colocar o rotor em movimento contra a resistência do chute; se a energia elétrica ou térmica fornecida não for suficiente, o rotor teria que parar. Surpreendentemente, os pesquisadores foram capazes de observar uma frequência de rotação constante de forma independente em uma direção, mesmo abaixo deste limite - em temperaturas abaixo de 17 Kelvin (-256 ° Celsius) ou uma voltagem aplicada de menos de 30 milivolts.

Da física clássica ao mundo quântico

Neste ponto, estamos na transição da física clássica para um campo mais intrigante:a física quântica. De acordo com suas regras, partículas podem "criar um túnel" - isto é, o rotor pode superar o chute mesmo se sua energia cinética for insuficiente no sentido clássico. Este movimento do túnel normalmente ocorre sem qualquer perda de energia. Teoricamente, Portanto, ambas as direções de rotação devem ser igualmente prováveis ​​nesta área. Mas, surpreendentemente, o motor ainda gira na mesma direção com 99% de probabilidade. "A segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia em um sistema fechado nunca pode diminuir. Em outras palavras:se nenhuma energia for perdida no evento de tunelamento, a direção do motor deve ser puramente aleatória. O fato de que o motor ainda gira quase exclusivamente em uma direção, portanto, indica que a energia também é perdida durante o movimento do túnel, "diz Gröning.

Para que lado o tempo está correndo?

Se abrirmos o escopo um pouco mais:quando assistimos a um vídeo, geralmente podemos dizer claramente se o tempo está avançando ou retrocedendo no vídeo. Se assistirmos a uma bola de tênis, por exemplo, que salta um pouco mais alto após cada impacto no solo, sabemos intuitivamente que o vídeo roda ao contrário. Isso ocorre porque a experiência nos ensina que a bola perde alguma energia a cada impacto e, portanto, deve ricochetear menos alto.

Se pensarmos agora em um sistema ideal em que nem a energia é adicionada nem perdida, torna-se impossível determinar em que direção o tempo está correndo. Esse sistema poderia ser uma bola de tênis "ideal" que quica de volta exatamente na mesma altura após cada impacto. Então, seria impossível determinar se estamos assistindo a um vídeo dessa bola ideal para a frente ou para trás - ambas as direções são igualmente plausíveis. Se a energia permanecer em um sistema, não seríamos mais capazes de determinar a direção do tempo.

Mas esse princípio também pode ser revertido:se observarmos um processo em um sistema que deixa claro em qual direção o tempo está correndo, o sistema deve perder energia ou, mais precisamente, dissipar energia - por exemplo, por meio de fricção.

De volta ao nosso minomotor:Normalmente, presume-se que nenhum atrito é gerado durante o tunelamento. Ao mesmo tempo, Contudo, nenhuma energia é fornecida ao sistema. Então, como pode ser que o rotor sempre gire na mesma direção? A segunda lei da termodinâmica não permite exceções - a única explicação é que há uma perda de energia durante o tunelamento, mesmo que seja extremamente pequeno. Gröning e sua equipe desenvolveram não apenas um brinquedo para artesãos moleculares. "O motor pode nos permitir estudar os processos e as razões da dissipação de energia em processos de tunelamento quântico, ”diz o pesquisador da Empa.