Il motore più piccolo del mondo

Sviluppato il motore più piccolo del mondo. Composto da soli 16 atomi, misura meno di un nanometro che corrisponde a una dimensione di circa 100.000 volte più piccola del diametro di un capello umano.

Questo progetto è stato sviluppato da un team di ricercatori di Empa e l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). «Questo ci avvicina al limite delle dimensioni massime per i motori molecolari», spiega il dottor Oliver Gröning, (1) capo del gruppo di ricerca sulle superfici funzionali di Empa. Il motore misura meno di un nanometro, in altre parole è circa 100.000 volte più piccolo del diametro di un capello umano.

In linea di principio, una macchina molecolare funziona in modo simile alla sua controparte nel macro mondo: converte l'energia in un movimento diretto. Tali motori molecolari esistono anche in natura, ad esempio sotto forma di miosine. Le miosine sono proteine motorie che svolgono un ruolo importante negli organismi viventi nella contrazione dei muscoli e nel trasporto di altre molecole tra le cellule.

Raccolta di energia su nanoscala

Come un motore su larga scala, il motore a 16 atomi è costituito da uno statore e un rotore, cioè una parte fissa e una mobile. Il rotore ruota sulla superficie dello statore (vedi foto). Può assumere sei diverse posizioni. «Affinché un motore possa effettivamente svolgere un lavoro utile, è essenziale che lo statore consenta al rotore di muoversi in una sola direzione», spiega il dottor Oliver Gröning.

Poiché l'energia che guida il motore può provenire da una direzione casuale, il motore stesso deve determinare la direzione di rotazione usando uno schema a cricchetto. Tuttavia, il motore dell'atomo funziona in modo opposto rispetto a quello che succede con un cricchetto nel mondo macroscopico con la sua ruota dentata asimmetrica: mentre il nottolino su un cricchetto si sposta sul bordo piatto e si blocca nella direzione del lato ripido, la variante atomica richiede meno energia per salire sul bordo ripido della ruota dentata rispetto al bordo piatto. Il movimento nella solita "direzione di blocco" è quindi preferito e il movimento nella "direzione di marcia" è molto meno probabile. Quindi il movimento è praticamente possibile solo in una direzione.

I ricercatori hanno implementato questo principio "a cricchetto" inverso in una variante minima usando uno statore con una struttura sostanzialmente triangolare composta da sei atomi di palladio e sei di gallio. Il trucco qui è che questa struttura è rotazionalmente simmetrica, ma non simmetrica allo specchio.

Di conseguenza, il rotore (una molecola simmetrica di acetilene) costituito da soli quattro atomi può ruotare continuamente, sebbene la rotazione in senso orario e antiorario debba essere diversa. «Il motore ha quindi una stabilità direzionale del 99%, che lo distingue da altri motori molecolari simili», afferma Gröning. In questo modo, il motore molecolare apre una strada per la raccolta di energia a livello atomico.

Energia da due fonti

Il piccolo motore può essere alimentato sia da energia termica che elettrica. L'energia termica innesca un meccanismo in cui il movimento rotatorio direzionale del motore si trasforma in traiettorie in direzioni casuali - ad esempio a temperatura ambiente, il rotore ruota avanti e indietro in modo completamente casuale a diversi milioni di giri al secondo. Al contrario, l'energia elettrica generata da un microscopio a scansione elettronica, dalla cui punta scorre una piccola corrente nei motori, può causare rotazioni direzionali. L'energia di un singolo elettrone è sufficiente a far ruotare i rotori di appena un sesto di giro. Maggiore è la quantità di energia fornita, maggiore è la frequenza di movimento - ma allo stesso tempo, maggiore è la probabilità che il rotore si muova in una direzione casuale, poiché troppa energia può superare il nottolino nella direzione "sbagliata".

Secondo le leggi della fisica classica, è necessaria una quantità minima di energia per mettere in moto il rotore contro la resistenza dello scivolo; se l'energia elettrica o termica fornita non è sufficiente, il rotore dovrebbe arrestarsi. Sorprendentemente, i ricercatori sono stati in grado di osservare una frequenza di rotazione indipendentemente costante in una direzione anche al di sotto di questo limite - a temperature inferiori a 17 Kelvin (-256° Celsius) o con una tensione applicata inferiore a 30 millivolt.

Dalla fisica classica al mondo quantistico

A questo punto siamo alla transizione dalla fisica classica a un campo più sconcertante: la fisica quantistica. Secondo le sue regole, le particelle possono "scavare", ovvero il rotore può superare lo scivolo anche se la sua energia cinetica è insufficiente in senso classico. Questo movimento del tunnel si verifica normalmente senza alcuna perdita di energia. Teoricamente, quindi, entrambe le direzioni di rotazione dovrebbero essere ugualmente probabili in quest'area. Ma sorprendentemente, il motore gira ancora nella stessa direzione con una probabilità del 99%. «La seconda legge della termodinamica afferma che l'entropia in un sistema chiuso non può mai diminuire. In altre parole: se non si perde energia in caso di tunneling, la direzione del motore dovrebbe essere puramente casuale. Il fatto che il motore ruoti ancora quasi esclusivamente in una direzione indica quindi che l'energia viene persa anche durante il movimento del tunnel», afferma Gröning.

In che modo scorre il tempo?

Se apriamo un po' di più l'ambito: quando guardiamo un video, di solito possiamo dire chiaramente se il tempo scorre avanti o indietro nel video. Se guardiamo una pallina da tennis, ad esempio, che salta un po' più in alto dopo ogni impatto sul terreno, sappiamo intuitivamente che il video scorre all'indietro. Questo perché l'esperienza ci insegna che la palla perde un po' di energia ad ogni impatto e quindi dovrebbe rimbalzare meno in alto.

Se ora pensiamo a un sistema ideale in cui né l'energia viene aggiunta né persa, diventa impossibile determinare in quale direzione scorre il tempo. Un tale sistema potrebbe essere una pallina da tennis "ideale" che rimbalza esattamente alla stessa altezza dopo ogni impatto. Quindi, sarebbe impossibile determinare se stiamo guardando un video di questa palla ideale in avanti o indietro - entrambe le direzioni sono ugualmente plausibili. Se l'energia rimane in un sistema, non saremmo più in grado di determinare la direzione del tempo.

Ma questo principio può anche essere invertito: se osserviamo un processo in un sistema che chiarisce in quale direzione scorre il tempo, il sistema deve perdere energia o, più precisamente, dissipare energia, ad esempio per attrito.

Torna al nostro mini-motore: di solito si presume che durante il tunneling non si generi attrito. Allo stesso tempo, tuttavia, non viene fornita energia al sistema. Quindi, come può essere che il rotore gira sempre nella stessa direzione? La seconda legge della termodinamica non consente alcuna eccezione: l'unica spiegazione è che si verifica una perdita di energia durante il tunnel, anche se estremamente ridotta. Il dottor Gröning e il suo team non hanno quindi sviluppato solo un giocattolo per artigiani molecolari. «Il motore potrebbe permetterci di studiare i processi e le ragioni della dissipazione di energia nei processi di tunneling quantistico», afferma il ricercatore Empa.

Riferimenti:

(1) Oliver Gröning

Descrizione foto: Scanning Tunneling Microscopy image (ingrandimento di circa 50 milioni) di una superficie PdGa con sei molecole di acetilene-rotore a forma di manubrio in diversi stati di rotazione. La struttura atomica in scala dello statore (blu-rosso) e il rotore in acetilene (grigio-bianco con orientamento verticale leggermente inclinato a sinistra) sono mostrati schematicamente a destra. - Credit: Empa.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: The smallest motor in the world