热能|世界上最小的马达问世，它能解决什么问题？
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最小马达只包含16个原子 ， 能够在原子水平上收集能量 。
《美国国家科学院院刊》报道 ， 瑞士Empa材料科学与技术联邦实验室以及瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）近日合作开发出了世界上最小的马达——仅由16个原子构成 。
与大型马达类似 ， 16原子马达也由一个定子和一个转子组成 。 转子在定子表面旋转 ， 并且可以占据6个不同的位置 。
Empa功能表面研究小组负责人Oliver Groning解释说：“对于做有用功的马达来说 ， 定子控制转子只向一个方向运动是至关重要的 。 ”
驱动马达的能量可能来自随机方向 ， 因此马达必须依靠棘轮方案决定旋转方向 。 通常来说 ， “阻塞方向”的运动是首选 ， 而“运动方向”的运动则概率很低 。 因此 ， 运动实际上只可能在一个方向上进行 。
研究人员利用6个钯原子和6个镓原子组成的三角形定子实现了这种“反向”棘轮原理 。 此处的关键是结构的旋转对称性 。 只有4个原子组成的转子（对称的乙炔分子）由此得以连续旋转 。 Groning说：“分子马达具有99%的方向稳定性 ， 这是它有别于其他类似分子马达之处 。 ”
分子马达可以由热能和电能提供动力 。 热能使马达的定向旋转变为随机旋转 。 相比之下 ， 由电子扫描显微镜产生的电能 ， 则可以引发定向旋转 。 单个电子的能量足以使转子旋转六分之一圈 。 外界提供的能量越高 ， 运动的频率也就越快 ， 但这也会使转子更有可能朝着随机方向运动 。
根据经典物理学定律 ， 为了使转子在运动中对抗阻力 ， 需要超过最低能量 。 如果电能或热能不足 ， 转子将停止运动 。
令人惊讶的是 ， Groning等在低温（17开尔文）或低电压（小于30毫伏）条件下 ， 在固定方向上观察到了独立、恒定的旋转频率 。 研究人员表示 ， 在这一点上 ， 就必须将视线从经典物理学转向量子物理学 。 量子物理学理论显示 ， 即使转子动能在经典意义上是不足的 ， 也能通过“隧穿效应”越过能垒 。
Groning说：“热力学第二定律指出 ， 封闭系统的熵永不减少 。 换句话说 ， 如果在隧穿过程中没有能量损失 ， 马达的方向应该是随机的 。 然而 ， 马达几乎只在一个方向上旋转 。 因此 ， 我们认为隧穿时出现了能量损失 。 ”
原创编译：雷鑫宇 审稿：西莫 责编：张梦
期刊来源：《美国国家科学院院刊》
期刊编号：0027-8424
原文链接：https://www.empa.ch/web/s604/molecular-motor
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