世界上最小的马达:仅由16个原子组成!

在细胞内部,分子层次上的可控运动是各种生物体进行生命活动的最基本的驱动力来源。而这些分子马达如何将无规律的能量输入,转化为可控的分子运动又是其中的关键之所在。在1959年理查德•费曼教授的《小尺寸 大世界》的演讲中首次系统的预言了纳米技术及纳米机器之后,无数人造分子机器被设计和制造出来,并被应用于生物体系等多个领域。

世界上最小的马达:仅由16个原子组成!
细胞膜物质转运动态图

 

在众多的人造分子机器中,虽然其驱动力大都来源于量子过程,但是其运动行为却呈现经典动力学特征,且难以被操纵实现量子隧穿效应。与此同时,扫描隧道电镜(STM)作为一种利用量子隧道效应探测物质表面结构的仪器,为研究表面原子和分子动力学提供了较为理想的方法,但是目前几乎没有脱离STM针尖控制的可控定向运动。

目前,来自瑞士国家联邦实验室(Empa)和洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究团队精确设计并制备了一种仅有16个原子所构成的分子马达,这也是目前世界上已知的尺寸最小的分子马达,并利用STM追踪并表征了它的运动状态。

世界上最小的马达:仅由16个原子组成!

分子马达的驱动原理

首先在结构上,这种微观分子“发动机”与宏观发动机是一致的,都是由转子和定子两部分组成。铂镓晶体作为定子,固定于界面上,不发生转动,作为定子;乙炔分子作为转子位于定子之上,发生定向转动。

世界上最小的马达:仅由16个原子组成!
分子马达的原子结构,最下层红色为镓原子,深蓝色为钯原子,中间层浅蓝色同样为钯原子,最上层为乙炔分子。下面两层为“定子”,最上层乙炔为“转子”。

 

作为一种马达,其运动方式同样与宏观马达类似,“转子”需要一个固定的运动方向。但是由于输入的能量是非定向的,因此马达本身需要使用“棘轮”来确定自身旋转方向。通过利用原子运动过程中沿着“棘轮”陡峭边缘与平滑边缘之间能垒的差别,使分子马达实现单向运动。

在具体的实验过程中,研究人员利用6个钯原子和6个镓原子构筑了这种基本的三角形定子结构,以最小的体积实现了“棘轮“功能。在这个结构中,他的关键在于定子结构实现了旋转对称,摒弃了以往的镜像对称结构,从而实现乙炔分子的定向转动。STM图像,同样证明了99%乙炔分子实现了连续的定向转动。这种高度的方向稳定性也使本文中的分子马达区别于以前报道的其他分子马达。利用这种方法,为分子马达在原子尺度的能量获取开辟了新的思路。

世界上最小的马达:仅由16个原子组成!
上图:在铂镓晶体表面的扫描隧道显微镜图像(放大约5000万倍),哑铃形的乙炔-转子分子,处于不同的旋转状态。 下图:铂镓晶体-定子(蓝红色)和乙炔-转子(灰白色)的按比例缩放的原子结构示意图。(图片来源:https://plus.empa.ch/images/2020-06-16_Molecular_motor/RotationStates.jpg)

 

分子马达的能量来源

分子马达的主要能量来源于热能与电能两个渠道。在常温下,热能所引起的分子马达运动,可以实现每秒近百万转的转速,但是其旋转具有随机性;与之相反,由电能所引起的分子马达转动则表现出更强的方向性,但是每个电子能量的输入仅能驱动分子马达六分之一圈的运动。随着输入能量的提高,运动频率随之变大,但是过高的能量也会使转子的在运动方向上具有更高的随机性,因为分子机器过高的能量会克服“错误”方向上的“棘爪”。

根据经典物理学理论,如果分子马达所具有的能量低于能垒高度,马达则会停止运动。但是本文中所设计的分子马达在隧穿区域(TR)内旋转时,且温度低于15 K、偏置电压小于30 mV的条件下,分子马达所具有的能量已经低于能垒高度,但是仍然观察到了以稳定频率的连续转动过程。

分子马达中的量子隧道效应

根据量子隧道效应,当分子马达所具有的能量低于能垒时分子马达也可以“隧穿”通过能垒。这种“隧穿”运动通常没有任何能量的损失,因此在两个方向上都存在“隧穿”运动的概率。但实验过程中,我们发现分子马达仍以99%的超高定向性沿同一个方向旋转。与此同时,根据热力学第二定律中的熵增原理,由于STM探针、基体、分子都处于热平衡状态,分子马达的单向旋转过程是不存在的,因此理论上会有分子马达呈现出随机的热旋转状态。综上所述,如果在隧穿中没有能量损失,分子马达的旋转方向应该是随机的,但实际上分子马达几乎只沿一个方向旋转,这表明在“隧穿”过程中发生了能量的损失,且这种高度的方向稳定性与探针的位置或实验环境无关。

通过乙炔分子与铂镓晶体之间的相互作用,设计并制备迄今为止最小的人造马达,并实现了持续的定向旋转。在此基础上又研究了分子马达在量子隧穿领域的现象。这种超微小马达开启了对量子隧道过程和能量耗散效应的研究,在将来,有望通过其它形式的强制激励(例如,光能)将能量转换为定向运动,从原子尺度上实现对能量的收集。

参考来源

https://www.pnas.org/content/early/2020/06/12/1918654117

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