Ne sećam se precizno, ali mislim da pišem za sajt još od 2003. a možda i ranije. Ne sećam se koje su mi bile teme, jer te textove nisam sačuvao. Nedavno sam naleteo na jedan od tih 'ranih radova', pa mi je to dalo ideju koju ću podeliti sa čitaocima.
Istraživački tim Empa i EPLF su razvili molekularni motor koji se sastoji od samo 16 atoma koji rotiraju u jednom pravcu. To omogućava prikupljanje energije na atomskom nivou. Posebnost motora je u tome što se kreće tačno na granici između klasičnog kretanja i kvantnog tuneliranja – otkrivši istraživačima zbunjujuće pojave u kvantnom carstvu.
Najmanji motor na svetu – koji se sastoji od samo 16 atoma –razvio je tim istraživača iz 'Empe' i EPFL. 'Ovo nas dovodi do krajnje granice veličine za molekularne motore', objašnjava Oliver Groning, rukovodilac Istraživačke grupe za funkcionalne površine u 'Empi'. Motor meri manje od jednog nanometra – drugim rečima, oko 100 000 puta je manji od promera ljudske vlasi.
U principu, molekularna mašina funkcioniše na sličan način kao i njen kolega u makro svetu: pretvara energiju u usmereno kretanje. Takvi molekularni motori postoje i u prirodi – na primer, u obliku miozina. Miozini su motorički proteini koji imaju važnu ulogu u živim organizmima u kontrakciji mišića i transportu drugih molekula između ćelija.
Sakupljanje energije na nanonivou
Poput motora velikog obima, motor sa 16 atoma se sastoji od statora i rotora, tj. fiksnog i pokretnog dela. Rotor rotira po površini statora (vidi sliku) i može da zauzima šest različitih položaja. 'Da bi motor stvarno korisno radio, bitno je da stator dopušta kretanje rotora u samo jednom smeru', objašnjava Groning.
Budući da energija koja pokreće motor može dolaziti iz nasumičnog smera, sam motor mora da odredi smjer rotacije pomoću ratcheting šeme[1]. Međutim, atomski motor deluje suprotno onome što se događa s ratchetom u makroskopskom svetu s njegovim asimetrično nazubljenim točkom zupčanika: dok se papučica na remenici kreće prema ravnom rubu i zaključava u smeru strmog ruba, atomska varijanta zahteva manje energije za pomicanje uz strmi rub zupčanika nego što to čini na ravnom rubu. Zbog toga se preferira kretanje u uobičajenom 'smeru blokiranja', dok je kretanje u 'smeru kretanja' mnogo manje verovatno. Dakle, kretanje je praktično moguće samo u jednom smeru.
Istraživači su implementirali ovaj 'obrnuti' ratchet princip u minimalnoj varijanti koristeći stator sa u osnovi trouglastom strukturom koja se sastoji od šest atoma paladijuma i šest atoma galijuma. Trik je u tome što je ta struktura rotaciono simetrična, ali nije ogledalno simetrična.
Kao rezultat toga, rotor (simetrični molekul acetilena) koji se sastoji od samo četiri atoma može da se kontinuirano okreće, premda rotacije u smeru kazaljke na satu i u suprotnom smeru moraju biti različite. 'Motor je stoga 99% stabilno usmeren, što ga razlikuje od ostalih sličnih molekularnih motora', kaže Groning. Na ovaj način, molekulski motor otvara put za skupljanje energije na atomskom nivou.
Energija iz dva izvora
Mali motor može da se napaja i toplotnom i električnom energijom. Toplotna energija izaziva da se usmereno rotaciono kretanje motora pretvara u rotacije u nasumičnim smerovima – na primer, pri sobnoj temperaturi, rotor se okreće napred-natrag, nasumično, pri nekoliko miliona okretaja u sekundi. Suprotno tome, električna energija stvorena elektronskim skenirajućim mikroskopom iz čijeg se vrha mala struja uliva u motor može da uzrokuje rotacije smera.
Energija jednog elektrona je dovoljna da se rotor nastavi da okreće za samo šestinu okretaja. Što je veća količina isporučene energije, veća je frekvencija kretanja - ali istodobno je veća verovatnoća da će se rotor kretati u nasumičnim smeru, jer previše energije može okrenuti papučicu u 'pogrešnom' smeru.
Prema zakonima klasične fizike, potrebna je minimalna količina energije za pokretanje rotora u odnosu na otpor; ako isporučena električna ili toplotna energija nije dovoljna, rotor bi trebao da se zaustavi. Iznenađujuće, istraživači su primetili nezavisnu konstantnu rotacionu frekvenciju u jednom smeru čak i ispod ove granice – pri temperaturama ispod 17 Kelvina (-256 Celzijusovih) ili primenjenom naponu nižem od 30 milivolta.
Od klasične fizike do kvantnog svijeta
U ovom trenutku prelazimo iz klasične fizike u zagonetno polje kvantne fizike. Prema njenim pravilima, čestice mogu da 'tuneliraju' – tj. rotor može da savlada otpor ležišta čak i ako mu kinetička energija nije dovoljna u klasičnom smislu. To se tunelirano kretanje obično događa bez ikakvog gubitka energije. Teoretski, stoga bi oba smera rotacije trebala biti jednako verovatna u ovom području. No iznenađujuće je da se motor i dalje okreće u istom smjeru s verovatnoćom 99%.
'Drugi zakon termodinamike kaže da se entropija u zatvorenom sistemu nikada ne može smanjiti. Drugim rečima: ako se ne izgubi energija u slučaju tuneliranja, pravac motora bi trebalo da bude čisto slučajan. Činjenica da se motor još uvek vrti gotovo isključivo u jednom smeru ukazuje da se energija gubi i tokom tuneliranog kretanja ", kaže Groning.
Kojim putem teče vrijeme?
Hajde da malo više otvorimo temu: Kada gledamo neki video, obično jasno možemo da kažemo da li u video-zapisu vreme teče prema napred ili natrag. Ako, naprimer, promatramo tenisku loptu koja odskače malo više nakon svakog udarca o tlo, intuitivno znamo da se videozapis kreće unatrag. To je zato što nas iskustvo uči da lopta gubi nešto energije pri svakom udarcu i zbog toga bi trebala odskače manje visoko.
Ako sada zamislimo idealan sistem u kojem se energija niti dodaje niti se gubi, postaje nemoguće odrediti u kojem smeru vreme teče. Takav bi sistem mogao da bude 'idealna' teniska loptica koja se nakon svakog udarca odbija na tačno istu visinu. Dakle, bilo bi nemoguće utvrditi da li gledamo video idealne loptice prema napred ili nazad - oba smera su podjednako uverljiva. Ako energija ostane u jednom sustavu, više ne bismo mogli odrediti smjer vremena.
Ali i ovaj princip može da se obrnue: Ako promatramo proces u sistemu u kojem je jasno u kojem smeru teče vreme, suistem mora da izgubi energiju ili, tačnije, rasipati energiju - naprimer trenjem.
Povratak na naš mini-motor: obično se pretpostavlja da se ne stvara trenje tokom tuneliranja. Međutim, istovremeno se u sistem ne isporučuje nikakva energija. Pa kako može biti da se rotor uvek okreće u istom pravcu?
Drugi zakon termodinamike ne dopušta izuzetke - jedino je objašnjenje da postoji gubitak energije tokom tuneliranja, čak i ako je izuzetno mali. Groning i njegov tim stoga nisu razvili samo igračku za molekularne majstore. 'Motor može da nam omogući proučavanje procesa i razloga rasipanja energije u procesima kvantnog tuneliranja', kaže istraživač 'Empa'.
[1] Hmm nisam znao kako da ovo prevedem. U rečniku kaže da se npr. radi o delu mašine koji dozvoljava kretanje u samo jednom pravcu. Možda je to to... Daju primer gedore, koja se okreće samo u jednom pravcu.
