Najmniejszy silnik świata

Najmniejszy silnik świata, przynajmniej według Księgi Rekordow Guinessa, ma wielkość 200 nanometrów. Grubość ludzkiego włosa dla porównania wynosi 60 000 nanometrów. Jednakże nadszedł pogromca, nawet tak małego silnika.

Badacze Tufts opracowali pierwszy na świecie molekularny silnik elektryczny o wymiarze poprzecznym rzędu jednego nanometra. Wyniki ich badań zostały opublikowane w artykule w Nature Nanotechnology na początku września. To odkrycie możliwe było do zaobserwowania w niskiej temperaturze dzięki skaningowemu mikroskopowi tunelowemu. Jest to pierwszy krok w kierunku rozwoju nowej klasy urządzeń, które mogą mieć zastosowanie w medycynie i technice.

„Najbardziej ekscytujące jest to, że można dostarczyć elektryczność do pojedynczej molekuły i móc kontrolować ten proces,” mówi lider zespołu Charles Sykes, profesor chemii w Wyższej Szkole Sztuki i Nauki.

Silniki molekularne złożone z jednej cząsteczki nie są niczym nowym, ale do tej pory, były napędzane przez chemikalia lub światło. Silnik molekularny zasilany prądem ma znaczną przewagę nad innymi tego typu technologiami, podkreśla Sykes. Tłumaczy, że aby zasilić silniki molekularne chemikaliami, naukowcy muszą dodać chemikalia do pojemnika zawierającego tryliony molekuł. „To są ograniczenia, które przysparzają trudności. Podobnie jest z zasilaniem światłem, gdyż nawet bardzo mocno skoncentrowane światło trafia w wiele cząsteczek naraz.”

Dzięki skaningowemu mikroskopowi tunelowemu można zmierzyć spin pojedynczej cząsteczki. „To najlepszy sposób, by to zrobić.”, mówi Sykes.

Lider zespołu oraz jego koledzy użyli metalowej końcówki mikroskopu, by dostarczyć wyładowanie elektryczne w cząsteczce siarczku butylometylu umieszczonej na miedzianej powierzchni. Cząsteczka składa się z atomu siarki i atomów węgla obracających się na dwu ramionach. W kolejnych doświadczeniach, takie ramiona mogą potencjalnie tworzyć zazębienia lub współdziałać ze sobą tworzyć określone sekwencje ruchu.

Sykes przestrzega, że praktyczne zastosowania takich silników są odległe. Wyobraża sobie, natomiast, że może mieć to zastosowanie w testach medycznych, które wymagają użycia rurek o małym przekroju. „W tak małych skalach, tarcie pomiędzy płynem a ścianami rurki zwiększa się, a pokrywając ścianki silnikami pomoże płynom przepływać dalej.” Silnik te mogą być także używane w NEMS’ach. Na przykład, sprzęgając ruch molekuł z sygnałami elektrycznymi, pozwoli naukowcom zbudować nanoczujniki i człony opóźniające.

Zanim uda się zrealizować potencjalne zastosowanie, potrzebne są przełomy dotyczące zakresów temperaturowych, w których możliwa jest realizacja ruchu. W eksperymencie silnik otoczony był przez ośrodek o temperaturze 5 kelwinów.

Dzieje się tak, dlatego, że wraz ze wzrostem temperatury, silnik obraca się znacznie szybciej – daleko poza zdolności naukowców do pomiaru obrotów. Przy 100 kelwinach, silnik obraca się ponad milion razy na sekundę. „To nie tak, że nie możemy pracować z wyższą temperaturą. Chodzi o to, że nie potrafimy tego kontrolować. Ruch staje się zamazany.”

W niższych temperaturach, takich jakie używane były w eksperymentach, udało się osiągnąć stan, w którym silnik obracał się z prędkością 50 obrotów na sekundę, co było łatwo mierzalne. Jednak, aby udowodnić, że silnik był napędzany dzięki przepływowi prądu, a ruchy nie były przypadkowe, grupa Sykes’a musiała śledzić wszystkie obroty. „Dla każdego pojedynczego punktu danych było zmierzonych 5000 obrotów. Sykes powiedział, że analiza danych z pięciu minut eksperymentu zajęła tygodnie.

Każdy zestaw rotacji był zliczany przez dwóch niezależnych testerów, co pozwoliło na upewnienie się, że zliczanie odbywało się w prawidłowy sposób. To była żmudna praca, w której uczestniczyli młodzi studenci.

Badania Sykes’a, które były fundowane przez National Science Foundation oraz Beckman Foundation and the Research Corporation for Scientific Advancement, będą prowadzone dalej. “Postaramy się dowiedzieć, jak dokładnie działają te molekularne silniki.”, mówi lider zespołu. Testowane będą inne zestawy molekuł, źródła zasilania i sposób nanoszenia molekuł na powierzchnie. Celem tych działań będzie zrozumienie istoty ruchu i poprawy kontroli ruchu. Poza tym będzie można spróbować nanieść drobne zęby, próbując tworzyć mechanizmy.

Sykes ma zamiar zgłosić silnik do księgi rekordów Guinessa i prawdopodobnie będzie to nowy rekord w tej dziedzinie.

(rr)