分子馬達:世界上最小的電動機

由瑞士聯邦材料科學與技術實驗室（Empa）和洛桑聯邦理工學院（EPFL）的科學家聯合研究小組，開發了一種分子馬達，該分子馬達僅由16個原子組成，並且可以在一個方向上可靠地旋轉。它可以允許原子級的能量收集。電機的特點是，它恰好在經典運動與量子隧穿之間的邊界處移動，並且向量子領域的研究人員揭示了令人費解的現象。

僅由16個原子組成的分子馬達

研究團隊負責人OliverGrning解釋說：「這使我們接近了分子電動機的尺寸極限。」電機的尺寸小於一納米，也就是說，它比人的頭髮直徑小10萬倍。

原則上，分子機的功能與其在宏觀世界中的對應機相似：將能量轉換為定向運動。這樣的分子馬達也存在於自然界中，例如以肌球蛋白的形式。肌球蛋白是運動蛋白，在生物體的肌肉收縮和其他分子在細胞之間的運輸中起重要作用。

納米級的能量收集

與大型電動機類似，16原子電動機由定子和轉子組成，即固定部分和運動部分。轉子在定子表面旋轉。它可以佔據六個不同的位置。為了使電動機真正發揮作用，至關重要的是定子必須使轉子只能沿一個方向移動。

由於驅動電動機的能量可能來自隨機方向，因此電動機本身必須使用棘輪方案確定旋轉方向。但是，原子電動機的運行與宏觀世界中帶有不對稱鋸齒狀齒輪的棘輪相反：棘輪上的棘爪沿平坦邊緣向上移動並鎖定在陡峭邊緣的方向上，而原子變體所需的扭矩卻更少沿齒輪的陡峭邊緣向上移動的能量，要比在平坦邊緣向上移動的能量大。因此，通常沿「阻擋方向」運動是優選的，而沿「運行方向」運動的可能性則小得多。因此，實際上只能在一個方向上移動。

如上圖所示世界上最小的電動機，具有六個處於不同旋轉狀態的啞鈴形轉子分子的PdGa表面的掃描隧道顯微鏡圖像（放大倍數約為5千萬）。定子（藍紅色）和轉子（灰白色，在略微傾斜的垂直方向）的按比例縮放的原子結構如右圖所示。

研究人員通過使用具有六個三角形和六個鈀原子的三角形結構的定子，以最小的變體實現了這種「反向」棘輪原理。這裡的技巧是這種結構是旋轉對稱的，而不是鏡像對稱的。

結果，儘管順時針和逆時針旋轉必須不同，但是僅由四個原子組成的轉子（對稱的分子）可以連續旋轉。因此，電動機具有99％的方向穩定性，這使其與其他類似的分子電動機區別開來，通過這種方式，分子電動機為原子級的能量收集開闢了一條途徑。

來自兩種來源的能量

微型電動機可以由熱能和電能驅動。熱能引起電動機的定向旋轉運動沿隨機方向改變，例如在室溫下，轉子以每秒幾百萬轉的速度完全隨機地來迴旋轉。相比之下，由電子掃描顯微鏡產生的電能會導致方向旋轉，電能從其尖端流入電機。單電子的能量足以使轉子繼續旋轉僅僅六分之一圈。供給的能量越高，運動的頻率越高，但是同時，轉子在隨機方向上運動的可能性也就越大，因為太多的能量可以克服「錯誤」方向上的棘爪。

根據經典物理學的定律，使轉子相對於滑槽的阻力運動所需的能量最少。如果提供的電能或熱能不足，則必須停止轉子。出乎意料的是，研究人員能夠在甚至低於此極限的一個方向上觀察到一個獨立的恆定旋轉頻率-溫度低於17開爾文（-256攝氏度）或施加的電壓低於30毫伏。

從古典世界到量子世界

這一世界上最小的電動機處於從古典物理學到更令人費解的量子物理學領域的過渡。根據量子物理學規則，粒子可以「挖洞」，也就是說，即使轉子的動能在傳統意義上不足，轉子也可以克服滑道。這種隧道運動通常在沒有任何能量損失的情況下發生。因此，從理論上講，在該區域中兩個旋轉方向均應同樣可能。但是令人驚訝的是，電動機仍以99％的概率向同一方向旋轉。熱力學第二定律指出，封閉系統中的熵永遠不會減小。換句話說：如果在隧穿事件中沒有能量損失，則電動機的方向應該純粹是隨機的。事實上，電動機仍然幾乎只能旋轉因此，在一個方向上的能量表示在隧道移動過程中也會失去能量。

時間走哪條路？

如果打開一點示波器觀看視頻時，通常可以清楚地知道時間在視頻中是向前還是向後。例如，如果我們看一個網球，它在每次撞擊地面後會跳得更高一點，那麼我們直觀地知道該視頻向後跑。這是因為經驗告訴我們，每次撞擊球都會損失一些能量，因此反彈的高度應該較小。

如果我們現在考慮一個既不增加能量又不損失能量的理想系統，那麼就無法確定時間在哪個方向上運行。這樣的系統可以是一個「理想的」網球，它在每次撞擊後會以完全相同的高度反彈。因此，不可能確定正在觀看該理想球向前還是向後的視頻，這兩個方向都是合理的。如果能量保留在一個系統中，將不再能夠確定時間方向。

但是，該原理也可以顛倒：如果我們觀察到系統中的某個過程清楚地表明了時間的運行方向，則該系統必須損失能量，或更確切地說，要耗散能量，例如通過摩擦。

回到這一世界上最小的電動機：通常假定在隧道進程中不會產生摩擦。但是與此同時，沒有能量提供給系統。那麼，如何使轉子始終向同一方向旋轉呢？熱力學第二定律不允許有任何例外，唯一的解釋是，即使在隧穿過程中，能量的損失非常小，也存在能量損失。

研究人員表示：「因此，研究團隊不僅為分子科學家開發了探索微觀世界的玩具，這樣的微小電動機可以研究量子隧穿過程和能量耗散的原因。」

參考：Molecular motor crossing the frontier of classical to quantum tunneling motion, Proceedings of the National Academy of Sciences (2020).