세계에서 가장 작은 모터는 어떤 역할을 하나요? 누가 발명했나요?

Empa와 EPFL 연구팀은 단 16개의 원자로 구성되어 있고 한 방향으로 안정적으로 회전할 수 있는 분자 모터를 개발했습니다. 이는 원자 수준에서 에너지 수확을 가능하게 할 수 있습니다. 모터의 특성은 고전 운동과 양자 터널링의 경계에서 바로 움직이는 것으로, 양자 분야 연구자들에게 수수께끼 같은 현상을 드러냈다.

Empa와 EPFL의 연구진이 개발한 세계에서 가장 작은 전기 모터(단 16개의 원자로 구성). Empa의 기능성 표면 연구 그룹 책임자인 Oliver Gröning은 다음과 같이 설명합니다. "이를 통해 우리는 분자 모터의 궁극적인 크기 한계에 가까워졌습니다." ?모터의 크기는 1나노미터도 안 된다. 즉 사람 머리카락 굵기의 10만분의 1 정도다.

원칙적으로 분자 기계는 거시적 세계의 대응 장치와 유사하게 기능합니다. 즉, 에너지를 방향성 운동으로 변환합니다. 이러한 분자 모터는 예를 들어 미오신의 형태로 자연에도 존재합니다. 미오신은 근육 수축과 유기체의 세포 간 다른 분자 수송에 중요한 역할을 하는 운동 단백질입니다.

나노 규모의 에너지 하베스팅

대형 전기 모터와 마찬가지로 16원자 전기 모터에도 고정자와 회전자, 즉 고정 부분과 움직이는 부분이 포함됩니다. 로터는 고정자 표면에서 회전합니다. 6가지 다른 위치를 차지할 수 있습니다. "전기 모터가 실제로 작동하려면 고정자가 회전자가 한 방향으로만 움직일 수 있도록 하는 것이 중요합니다."라고 Groening은 설명합니다.

모터를 구동하는 에너지는 임의의 방향에서 나올 수 있으므로 모터 자체는 회전 방향을 결정하기 위해 래칫 방식을 사용해야 합니다. 그러나 원자 모터는 거시적 세계에서 비대칭 톱니 모양의 기어가 있는 래칫과 반대 방향으로 작동합니다. 래칫의 폴은 평평한 가장자리를 따라 위로 이동하고 가파른 가장자리 방향으로 고정되는 반면, 원자 변형은 많은 시간을 필요로 합니다. 더 많은 토크 평평한 가장자리보다 기어의 가파른 가장자리 위로 더 많은 에너지가 이동합니다. 따라서 일반적으로 "차단 방향"으로의 움직임이 선호되는 반면, "실행 방향"으로의 움직임은 훨씬 덜 발생합니다. 따라서 실제로는 한 방향으로만 이동할 수 있습니다.

연구원들은 6개의 삼각형과 6개의 팔라듐 원자로 구성된 삼각형 구조의 고정자를 사용하여 최소한의 변형으로 이러한 '역' 래칫 원리를 달성했습니다. 여기서 중요한 점은 이 구조가 거울 대칭이 아닌 회전 대칭이라는 것입니다.

결과적으로 4개의 원자로만 구성된 회전자(대칭형 아세틸렌 분자)는 시계 방향과 반시계 방향 회전이 달라야 하지만 연속적으로 회전할 수 있습니다. “결과적으로 모터는 99%의 방향 안정성을 갖게 되어 다른 유사한 분자 모터와 차별화됩니다.”라고 Groening은 말했습니다. 이러한 방식으로 분자 모터는 원자 수준에서 에너지를 수확할 수 있는 길을 열어줍니다.

두 가지 소스의 에너지

마이크로모터는 열 에너지와 전기 에너지로 구동될 수 있습니다. 열 에너지는 모터의 방향 회전 운동을 임의의 방향으로 회전시킵니다. 예를 들어 실온에서 회전자는 초당 수백만 회전으로 완전히 무작위로 앞뒤로 회전합니다. 대조적으로, 주사형 전자현미경에서 생성된 전기 에너지는 방향 회전을 일으키고, 전기 에너지는 팁에서 모터로 흐릅니다. 단일 전자의 에너지는 로터가 6분의 1회전만 유지하는 데 충분합니다. 공급되는 에너지가 높을수록 이동 빈도가 높아지지만 동시에 너무 많은 에너지가 "잘못된" 방향의 폴을 극복할 수 있기 때문에 로터가 임의의 방향으로 움직일 가능성이 더 높아집니다.

고전 물리학의 법칙에 따르면 슈트의 저항에 비해 로터를 움직이는 데 필요한 최소한의 에너지가 필요합니다. 전기 또는 열 에너지가 충분하지 않으면 로터를 정지해야 합니다. 예기치 않게 연구원들은 17켈빈(섭씨 -256도) 미만의 온도 또는 30밀리볼트 미만의 인가 전압에서 이 한계 아래 방향으로 독립적이고 일정한 회전 주파수를 관찰할 수 있었습니다.

고전 물리학에서 양자 세계로

이 시점에서 우리는 고전 물리학에서 훨씬 더 수수께끼의 영역인 양자 물리학으로 전환하는 단계에 있습니다. 규칙에 따르면 입자는 "파고들" 수 있습니다. 즉, 전통적인 의미에서 운동 에너지가 부족하더라도 로터가 슬라이드를 극복할 수 있습니다. 이 터널링 동작은 일반적으로 에너지 손실 없이 발생합니다. 따라서 이론적으로 이 영역에서는 두 회전 방향이 동일하게 가능해야 합니다. 하지만 놀랍게도 모터는 여전히 99%의 확률로 같은 방향으로 회전합니다. ?열역학 제2법칙은 닫힌 계의 엔트로피는 결코 감소하지 않는다는 것입니다.

즉, 터널링 이벤트에서 에너지 손실이 없다면 모터의 방향은 순전히 무작위여야 합니다.

시간은 어디로 흘러가나요?

오실로스코프를 조금 더 켜면: 동영상을 볼 때 일반적으로 동영상에서 시간이 앞으로 가는지 뒤로 가는지 명확하게 알 수 있습니다. 예를 들어, 테니스 공이 땅에 닿을 때마다 조금씩 더 높이 점프한다면 우리는 비디오가 거꾸로 재생되고 있다는 것을 직관적으로 알 수 있습니다. 경험에 따르면 공을 칠 때마다 에너지가 일부 손실되므로 리바운드 높이가 작아야 합니다.

이제 에너지를 얻거나 잃지 않는 이상적인 시스템을 고려한다면 시간이 어느 방향으로 흐르는지 판단하는 것은 불가능합니다. 이러한 시스템은 충격을 가할 때마다 정확히 같은 높이로 튀어오르는 "이상적인" 테니스 공이 될 수 있습니다. 따라서 우리가 이 이상적인 공의 영상을 앞으로 보고 있는지 뒤로 보고 있는지 판단하는 것은 불가능합니다. 두 방향 모두 똑같이 합리적입니다. 시스템에 에너지가 남아 있다면 우리는 더 이상 시간의 방향을 결정할 수 없게 됩니다.

그러나 이 원리는 반대가 될 수도 있습니다. 시간이 어느 방향으로 흐르는지 명확하게 나타내는 시스템의 프로세스를 관찰하면 시스템은 에너지를 잃거나 오히려 마찰 등을 통해 에너지를 소산해야 합니다.

마이크로모터로 돌아가서: 터널링 중에 마찰이 발생하지 않는다고 가정하는 경우가 많습니다. 그러나 동시에 시스템에는 에너지가 공급되지 않습니다. 그렇다면 로터가 항상 같은 방향으로 회전하도록 하려면 어떻게 해야 할까요? 열역학 제2법칙은 어떤 예외도 허용하지 않습니다. 유일한 설명은 터널링 중에도 에너지 손실이 매우 작다는 것입니다. 따라서 그로닝과 그의 팀은 단지 분자 공예가를 위한 장난감을 개발한 것이 아닙니다. Empa 연구진은 "전기 모터를 통해 양자 터널링 중 에너지 소실 과정과 원인을 연구할 수 있습니다"라고 말했습니다. ?