世界上最小的马达：揭示神秘的量子现象

导

据瑞士联邦材料测试与开发研究所（Empa）官网近日报道，来自该研究所与瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的科研团队开发出一款分子马达。该马达由16个原子组成，并能朝一个方向可靠地旋转。它能在原子水平上采集能量。

背景

我们身边的许多物品，从电脑到冰箱再到自动窗，都是依靠马达来维持运动的。

电动马达动画（图片来源：维基百科）

大多数马达都是靠电力驱动，并且尺寸较大。可是有一种马达，尺寸达到纳米级，并且靠化学能驱动。它就是“分子马达（molecular motor）”，又名分子发动机。分子马达，最早是指生物系统里的一类蛋白质，例如肌肉组织中的肌球蛋白，它们负责把细胞内的微观尺度运动转化为各个组织器官的宏观运动。

处于一个纳米微孔（外径6.7纳米）中的三个分子组成的人造分子马达分子动力学模拟。（图片来源：维基百科）

创新

近日，来自瑞士联邦材料测试与开发研究所（Empa）与瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的科研团队开发出一款分子马达。该马达由16个原子组成，并能朝一个方向可靠地旋转。它能在原子水平上采集能量。这款马达的特色在于：它恰好游走在经典运动与量子隧穿之间的边界处，并向量子领域的研究人员揭示了令人费解的现象。

下图所示：仅由16个原子组成的马达：位于手性（指一个物体不能与其镜像相重合）PdGa 表面（蓝球->钯，红球->镓）上的单个4原子乙炔马达分子（灰白球）的原子尺度结构。

（图片来源：Empa）

技术

Empa 功能表面研究小组领头人 Oliver Gr?ning 解释道：“这使我们接近了分子马达的尺寸极限。”马达尺寸小于一纳米，换句话说，它比人类头发直径小10万倍。

原则上来说，分子机器的功能与其宏观世界中的对应物相似：将能量转换为定向运动。这样的分子马达也存在于自然界中，例如以肌球蛋白的形式。肌球蛋白，是在生物体的肌肉收缩以及细胞间其他分子的运输方面起重要作用的马达蛋白。

纳米级的能量采集

下图所示：具有六个处于不同旋转状态的哑铃形乙炔-转子分子的 PdGa 表面的扫描隧道显微镜图像（放大倍数约为5千万倍）。定子（蓝红色）和转子（灰白色，处于略微向左倾斜的垂直方向）的按比例缩放的原子结构如右图所示。

（图片来源：Empa）

与大型马达类似，16原子马达由定子和转子（即固定部件和运动部件）组成。转子在定子表面旋转（见上图）。它可以占据六个不同的位置。Gr?ning 解释道：“为了使马达真正起作用，至关重要的是，定子必须只允许转子沿一个方向运动。”

由于驱动马达的能量来自随机方向，所以马达本身必须采用棘轮机制决定旋转方向。可是，原子马达的运行方式与宏观世界中带有不对称锯齿状齿轮的棘轮相反：棘轮上的棘爪沿平坦边缘向上移动并沿着陡峭边缘方向锁定，而原子级的变体沿齿轮的陡峭边缘向上移动所需的能量，比沿平坦边缘向上移动所需的能量更少。因此，通常沿着“阻挡方向”运动是优先考虑的，而沿着“运行方向”运动的可能性则很低，所以实际上几乎只朝一个方向运动。

研究人员使用具有六个钯原子和六个镓原子组成的基本三角形结构的定子，在最小的变体中实现了这种“反向”棘轮原理。这里的技巧是，这种结构是旋转对称的，而不是镜像对称的。

结果，尽管顺时针和逆时针的旋转必须不同，但仅由四个原子组成的转子（对称的乙炔分子）可以连续旋转。Gr?ning 表示：“因此，马达具有99％的方向稳定性，这使之与其他类似的分子马达区别开来。”通过这种方式，分子马达为原子级的能量收集开辟了一条途径。

两种来源的能量

热能和电能都可以驱动微型马达。热能会造成马达的定向旋转运动变成沿随机方向的旋转，例如在室温下，转子以每秒几百万转的速度，完全随机地来回转动。相比之下，电子扫描显微镜可以产生电能，微小的电流从其尖端流入马达，导致定向旋转。单电子的能量只能满足转子持续旋转仅六分之一圈。供应的能量越多，运动的频率就越高，但与此同时，转子在随机方向上运动的可能性也就越大，因为太多的能量会克服“错误”方向上的棘爪。

根据经典物理学定律，使转子克服溜槽阻力运动需要少量的能量；如果供应的电能或热能不足，则转子必须停止。令人惊讶的是，甚至在低于极限条件，即温度低于17开尔文（零下256摄氏度）或施加的电压低于30毫伏时，研究人员仍然可以在一个方向上观察到一个独立的恒定旋转频率。

从经典物理学到量子世界

此时，我们正在从经典物理学向更令人费解的量子物理学领域过渡。根据量子物理学原理，粒子可以“开凿隧道”，也就是说，即使转子的动能在经典意义上不足，它也可以克服溜槽阻力。这种隧道运动通常发生在没有任何能量损失的情况下。因此，从理论上讲，在该区域中两个旋转方向具有同样的可能性。但是令人惊讶的是，马达仍以99％的概率向同一方向旋转。Gr?ning 表示：“热力学第二定律指出，封闭系统中的熵永远不会减小。换句话说，如果在隧穿事件中没有任何能量损失，则马达的方向应该是完全随机的。因此，马达几乎只向着一个方向旋转的事实表明，在隧穿运动过程中也有能量损耗。“

时间走的是哪条路？

如果我们将眼界放宽一点：当我们观看视频时，通常可以清楚地知道时间在视频中是向前还是向后的。例如，如果我们看一个网球，如果它每次撞击地面后会跳得更高一点，那么我们会直观地知道该视频是向后播放的。这是因为经验告诉我们，每次撞击后会使球损失一些能量，因此反弹的高度应该较低。

如果我们现在来考察一个能量不增不减的理想系统，那么就无法确定时间向着哪个方向跑。这样的系统可以是一个“理想”的网球，它每次撞击后会以完全相同的高度反弹。所以，我们无法判定正在观看的这个“理想球''的视频是向前还是向后的，这两个方向看上去都是合理的。如果能量保留在一个系统中，我们将不再能判断时间的方向。

但是，这个原理也可以反过来：如果我们观察到系统中的某个过程清楚地表明了时间的运行方向，则该系统必然损失能量，或者更确切地说，要耗散能量，例如通过摩擦。

回到我们的迷你马达：通常认为在隧穿过程中不会产生摩擦。但是，与此同时，没有能量提供给系统。那么，如何使转子总是向同一方向旋转呢？热力学第二定律不允许有任何例外，唯一的解释是，隧穿过程中有能量损耗，尽管损耗的能量非常小。因此，Gr?ning 及其团队不仅仅是为分子工匠开发了一款玩具。Empa 研究人员表示：“这款马达可以使我们能够研究量子隧穿过程中能量耗散的过程和原因。”

关键词

马达、量子、分子

参考资料

【1】Samuel Stolz, Oliver Gr?ning, Jan Prinz, Harald Brune, Roland Widmer.Molecular motor crossing the frontier of classical to quantum tunneling motion. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020; 201918654 DOI: 10.1073/pnas.1918654117

【2】https://www.empa.ch/web/s604/molecular-motor