کوچکترین حرکتی در جهان

کوچکترین حرکتی در جهان — متشکل از فقط 16 اتم: اين مطالعه طراحی و توسعه توسط یک تیم از محققان از Empa و EPFL. “این ما به ارمغان می آورد نزدیک به نهایی محدودیت اندازه مولکولی موتور” توضیح می دهد که الیور گرونينگ های کاربردی سطوح گروه تحقیقاتی در Empa. موتور اقدامات کمتر از یک نانومتر — به عبارت دیگر آن است که حدود 100000 بار کوچکتر از قطر یک موی انسان است.

در اصل یک ماشین مولکولی توابع در یک روش مشابه به همتای خود در جهان ماکرو: تبدیل انرژی به کارگردانی جنبش است. چنین مولکولی موتورز نیز در طبیعت وجود دارد — برای مثال در شکل myosins. Myosins در حال موتور پروتئین است که نقش مهمی در زندگی موجودات زنده در انقباض عضلات و حمل و نقل از دیگر مولکول های بین سلول ها است.

انرژی برداشت در مقياس نانو

مانند یک مقیاس موتور 16 اتم موتور متشکل از یک استاتور و یک روتور یعنی ثابت و متحرک ، روتور می چرخد در سطح استاتور (نگاه کنید به تصویر). می توان آن را تا شش موقعیت های مختلف. “برای یک موتور در واقع انجام کار مفید ضروری است که استاتور اجازه می دهد تا روتور به حرکت در یک جهت” توضیح می دهد که گرونينگ.

پس از انرژی است که درایوهای موتور می تواند از یک جهت تصادفی موتور خود باید تعیین جهت چرخش با استفاده از تشدید طرح. اما اتم موتور عمل مخالف از آنچه اتفاق می افتد با یک ضامن در ماکروسکوپی جهان با آن شود دندانه دار و چرخ دنده: در حالی که گیره در یک چرخ ضامن دار حرکت می کند تا از لبه تخت و قفل در جهت شیب لبه اتمی نوع, نیاز به انرژی کمتری برای حرکت تند لبه چرخ دنده از آن را در لبه تخت. این جنبش در حد معمول ‘مسدود کردن مسیر’ است بنابراین ترجیح داده و این جنبش در عين حال اجرا جهت’ بسیار کمتر احتمال دارد. بنابراین این جنبش عملا تنها در یک جهت.

محققان باید اجرا این “معکوس” چرخ ضامن دار اصل در حداقل یک متغیر با استفاده از یک استاتور با یک اساسا ساختار مثلثی متشکل از شش پالادیوم و شش اتم گالیم. ترفند در اینجا این است که این ساختار است که دوران متقارن اما نه آینه-متقارن است.

به عنوان یک نتیجه روتور (متقارن استیلن مولکول) متشکل از تنها چهار اتم می تواند به طور مداوم چرخش اگر چه در جهت عقربه های ساعت و خلاف جهت عقربه چرخش باید متفاوت باشد. “موتور رو تا 99% جهت ثبات که آن را متمایز از دیگر مشابه مولکولی موتورز می گوید:” گرونينگ. در این روش مولکولی موتور باز می شود تا راه را برای برداشت انرژی در سطح اتمی است.

انرژی از دو منبع

کوچک موتور می تواند توسط هر دو حرارتی و الکتریکی انرژی. انرژی حرارتی باعث که جهت حرکت چرخشی موتور تغییرات به چرخش در جهتهای تصادفی — در دمای اتاق, برای مثال, روتور چرخش به عقب و جلو کاملا به صورت تصادفی در چند میلیون دور در ثانیه است. در مقابل انرژی الکتریکی تولید شده توسط یک الکترون اسکن میکروسکوپ از این نکته که یک جریان به موتور می شود جهت چرخش. انرژی یک الکترون کافی است به روتور همچنان به چرخش فقط یک ششم از انقلاب است. بالاتر از مقدار انرژی عرضه, بالاتر از فرکانس جنبش-اما در همان زمان بیشتر احتمال دارد روتور به حرکت در یک جهت تصادفی از انرژی بیش از حد می تواند غلبه بر این گیره در “اشتباه” جهت.

با توجه به قوانین فیزیک کلاسیک وجود دارد حداقل مقدار انرژی مورد نیاز برای مجموعه روتور در حال حرکت در مقابل مقاومت چوت; اگر عرضه برق یا انرژی حرارتی کافی نیست روتور را برای متوقف کردن. جای تعجب محققان قادر به مشاهده مستقل ثابت فرکانس چرخش در یک جهت و حتی پایینتر از این حد — در دمای زیر 17 کلوین (-256° سانتیگراد) و یا اعمال ولتاژ به کمتر از 30 millivolts.

از فیزیک کلاسیک به کوانتومی جهان

در این مرحله ما در حال گذار از فیزیک کلاسیک به بیشتر گیج کننده رشته: فیزیک کوانتوم. با توجه به قوانین آن ذرات می تواند به “تونل” — است که روتور می تواند غلبه بر ناودان یا مجرای سرازیر حتی اگر آن انرژی جنبشی کافی است در مفهوم کلاسیک. این تونل حرکت به طور معمول رخ می دهد بدون از دست دادن انرژی است. از لحاظ تئوری هر دو جهت چرخش باید به همان اندازه احتمال دارد در این منطقه است. اما با کمال تعجب این موتور هنوز هم می شود در همان جهت با احتمال 99 درصد. “قانون دوم ترمودینامیک می گوید که آنتروپی در یک سیستم بسته هرگز نمی تواند کاهش دهد. به عبارت دیگر: اگر هیچ انرژی از دست رفته در تونل رویداد جهت موتور باید کاملا تصادفی. این واقعیت است که موتور هنوز می چرخد و تقریبا به طور انحصاری در یک جهت و در نتیجه نشان می دهد که انرژی نیز از دست رفته در طول تونل جنبش می گوید:” گرونينگ.

کدام راه است که زمان در حال اجرا ؟

اگر ما باز دامنه کمی بیشتر: زمانی که ما سازمان دیده بان ویدیو ما معمولا می توانید بگویید واضح است که آیا زمان در حال اجرا رو به جلو یا رو به عقب در این ویدئو. اگر ما به تماشای یک توپ تنیس به عنوان مثال که جهش کمی بالاتر بعد از هر ضربه بر روی زمین ما به طور مستقیم می دانم که این ویدئو اجرا می شود به عقب. دلیل این است که تجربه به ما می آموزد که توپ را از دست می دهد برخی از انرژی با هر ضربه و بنابراین باید به گزاف گویی بالا کمتر.

اگر ما در حال حاضر فکر می کنم از یک سیستم ایده آل است که در آن نه انرژی اضافه شده است و نه از دست آن را می شود غیر ممکن است برای تعیین که در آن زمان در حال اجرا است. این سیستم می تواند یک “ایده آل” توپ تنیس است که پرش به عقب دقیقا در همان ارتفاع بعد از هر ضربه. بنابراین این امر می تواند غیر ممکن است برای تعیین اینکه آیا ما در حال تماشای یک ویدئو از این ایده آل توپ رو به جلو یا رو به عقب — هر دو جهت به همان اندازه محتمل است. اگر انرژی باقی مانده در یک سیستم ما دیگر نمی خواهد بود قادر به تعیین جهت از زمان.

اما این اصل نیز می تواند معکوس: اگر ما شاهد یک فرایند در یک سیستم که روشن می سازد که در آن زمان در حال اجرا است سیستم باید از دست دادن انرژی و یا دقیق تر پراکنده انرژی — برای مثال از طریق اصطکاک است.

بازگشت به مینی موتور: آن است که معمولا فرض بر این است که هیچ اصطکاک تولید شده در طول تونل. در همان زمان, اما, هیچ انرژی عرضه شده به سیستم است. پس چگونه می تواند از آن باشد که روتور همیشه در همان جهت ؟ قانون دوم ترمودینامیک اجازه نمی دهد هر گونه استثنا — تنها توضیح است که از دست رفتن انرژی در طول تونل, حتی اگر آن را بسیار کوچک است. گرونينگ و تیم خود را بنابراین نه تنها توسعه یک اسباب بازی برای مولکولی صنعتگران. “موتور می تواند ما را قادر به مطالعه فرآیندها و دلایل اتلاف انرژی در تونل زنی کوانتومی فرآیندهای می گوید:” Empa محقق.

tinyurlis.gdv.gdv.htclck.ruulvis.netshrtco.detny.im

Leave a reply

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>