Phát minh ra động cơ nhỏ nhất trên thế giới còn bé hơn cả sợi tóc

[Cupcake01]

Các nhà khoa học Thụy Sĩ đã tạo ra một động cơ siêu nhỏ chỉ bao gồm 16 nguyên tử quay ổn định theo một hướng.

Với kích thước chưa đến một nanomet, tức nhỏ hơn khoảng 100.000 lần so với đường kính của một sợi tóc, động cơ nhỏ nhất thế giới do các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Khoa học và Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (EMPA) phát triển có thể thu hoạch năng lượng ở cấp độ nguyên tử.

Về nguyên tắc, nó hoạt động giống như động cơ trong thế giới vĩ mô, bằng cách chuyển đổi năng lượng thành một chuyển động có hướng. Những động cơ phân tử như vậy cũng tồn tại trong thế giới tự nhiên như dưới dạng myosin, loại protein vận động đóng vai trò quan trọng trong sinh vật sống khi kiểm soát chức năng co cơ và vận chuyển phân tử giữa các tế bào.

Động cơ chế tạo bởi EMPA cũng bao gồm stator (phần tĩnh) và rotor (phần chuyển động), trong đó rotor quay trên bề mặt của stator. "Để một động cơ thực sự hoạt động hiệu quả, điều cần thiết là stator chỉ cho phép rotor chuyển động theo một hướng," trưởng nhóm nghiên cứu Oliver Gröning từ EMPA cho hay.


Mô phỏng cấu tạo và chuyển động của động cơ phân tử nhỏ nhất thế giới. Video: EMPA.

Gröning cùng các cộng sự đã dựa trên nguyên lý bánh cóc đảo ngược (reverse ratchet principle) để định hướng quay cho động cơ. Họ sử dụng stator có hình tam giác, bao gồm 6 nguyên tử palladium và 6 nguyên tử galium. Chúng tạo nên một cấu trúc đối xứng quay nhưng không đối xứng phản chiếu. Trong khi đó, rotor được cấu thành từ 4 nguyên tử axetylen đối xứng phản chiếu.

"Động cơ mới có độ ổn định hướng quay lên tới 99%, giúp phân biệt nó với các loại động cơ phân tử khác", Gröning nhấn mạnh.

Nhóm nghiên cứu cho biết động cơ có thể hoạt động bằng cả năng lượng nhiệt và điện. Trong khi năng lượng nhiệt kích thích rotor chuyển động ngẫu nhiên, năng lượng điện gây ra chuyển động quay có hướng. Mức năng lượng của một electron đơn lẻ cũng có thể làm rotor quay 1/6 vòng. Năng lượng được cung cấp càng nhiều, tần số chuyển động của động cơ càng cao, nhưng đồng thời, rotor càng có khả năng chuyển động ngẫu nhiên.

Theo định luật vật lý cổ điển (không sử dụng trong vật lý lượng tử), cần một mức năng lượng tối thiểu để rotor duy trì chuyển động chống lại lực cản của máng trượt. Nếu năng lượng nhiệt hoặc điện được cung cấp không đủ, rotor sẽ dừng quay. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu quan sát thấy rotor của động cơ phân tử mới có thể duy trì tần số quay ổn định theo một hướng ngay cả khi năng lượng thấp hơn mức giới hạn, ở nhiệt độ -256 °C hoặc điện áp dưới 30 millivolt.

"Theo lập luận này, chúng ta đang ở giai đoạn chuyển đổi từ vật lý cổ điển sang một lĩnh vực khó hiểu hơn nhiều là vật lý lượng tử. Rotor có thể vượt qua lực cản của máng trượt ngay cả khi động năng của nó không đủ là nhờ một chuyển động được gọi là xuyên hầm lượng tử - hiệu ứng mô tả sự chuyển dịch của hệ vật chất từ trạng thái này sang trạng thái khác mà thông thường bị ngăn cấm bởi các quy luật vật lý cổ điển", Gröning giải thích.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu hy vọng động cơ phân tử mới có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các quy trình, cũng như sự tiêu tán năng lượng xảy ra trong chuyển động xuyên hầm lượng tử.

VietBF @ Sưu Tầm