在細胞內部，分子層次上的可控運動是各種生物體進行生命活動的最基本的驅動力來源。而這些分子馬達如何將無規(guī)律的能量輸入，轉化為可控的分子運動又是其中的關鍵之所在。在1959年理查德?費曼教授的《小尺寸 大世界》的演講中首次系統(tǒng)的預言了納米技術及納米機器之后，無數(shù)人造分子機器被設計和制造出來，并被應用于生物體系等多個領域。
在眾多的人造分子機器中，雖然其驅動力大都來源于量子過程，但是其運動行為卻呈現(xiàn)經(jīng)典動力學特征，且難以被操縱實現(xiàn)量子隧穿效應。與此同時，掃描隧道電鏡（STM）作為一種利用量子隧道效應探測物質表面結構的儀器，為研究表面原子和分子動力學提供了較為理想的方法，但是目前幾乎沒有脫離STM針尖控制的可控定向運動。
目前，來自瑞士國家聯(lián)邦實驗室(Empa)和洛桑聯(lián)邦理工學院(EPFL)的研究團隊精確設計并制備了一種僅有16個原子所構成的分子馬達，這也是目前世界上已知的尺寸最小的分子馬達，并利用STM追蹤并表征了它的運動狀態(tài)。
分子馬達的驅動原理
首先在結構上，這種微觀分子“發(fā)動機”與宏觀發(fā)動機是一致的，都是由轉子和定子兩部分組成。鉑鎵晶體作為定子，固定于界面上，不發(fā)生轉動，作為定子；乙炔分子作為轉子位于定子之上，發(fā)生定向轉動。
作為一種馬達，其運動方式同樣與宏觀馬達類似，“轉子”需要一個固定的運動方向。但是由于輸入的能量是非定向的，因此馬達本身需要使用“棘輪”來確定自身旋轉方向。通過利用原子運動過程中沿著“棘輪”陡峭邊緣與平滑邊緣之間能壘的差別，使分子馬達實現(xiàn)單向運動。
在具體的實驗過程中，研究人員利用6個鈀原子和6個鎵原子構筑了這種基本的三角形定子結構，以最小的體積實現(xiàn)了“棘輪“功能。在這個結構中，他的關鍵在于定子結構實現(xiàn)了旋轉對稱，摒棄了以往的鏡像對稱結構，從而實現(xiàn)乙炔分子的定向轉動。STM圖像，同樣證明了99%乙炔分子實現(xiàn)了連續(xù)的定向轉動。這種高度的方向穩(wěn)定性也使本文中的分子馬達區(qū)別于以前報道的其他分子馬達。利用這種方法，為分子馬達在原子尺度的能量獲取開辟了新的思路。
分子馬達的能量來源
分子馬達的主要能量來源于熱能與電能兩個渠道。在常溫下，熱能所引起的分子馬達運動，可以實現(xiàn)每秒近百萬轉的轉速，但是其旋轉具有隨機性；與之相反，由電能所引起的分子馬達轉動則表現(xiàn)出更強的方向性，但是每個電子能量的輸入僅能驅動分子馬達六分之一圈的運動。隨著輸入能量的提高，運動頻率隨之變大，但是過高的能量也會使轉子的在運動方向上具有更高的隨機性，因為分子機器過高的能量會克服“錯誤”方向上的“棘爪”。
根據(jù)經(jīng)典物理學理論，如果分子馬達所具有的能量低于能壘高度，馬達則會停止運動。但是本文中所設計的分子馬達在隧穿區(qū)域（TR）內旋轉時，且溫度低于15 K、偏置電壓小于30 mV的條件下，分子馬達所具有的能量已經(jīng)低于能壘高度，但是仍然觀察到了以穩(wěn)定頻率的連續(xù)轉動過程。
分子馬達中的量子隧道效應
根據(jù)量子隧道效應，當分子馬達所具有的能量低于能壘時分子馬達也可以“隧穿”通過能壘。這種“隧穿”運動通常沒有任何能量的損失，因此在兩個方向上都存在“隧穿”運動的概率。但實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)分子馬達仍以99%的超高定向性沿同一個方向旋轉。與此同時，根據(jù)熱力學第二定律中的熵增原理，由于STM探針、基體、分子都處于熱平衡狀態(tài)，分子馬達的單向旋轉過程是不存在的，因此理論上會有分子馬達呈現(xiàn)出隨機的熱旋轉狀態(tài)。綜上所述，如果在隧穿中沒有能量損失，分子馬達的旋轉方向應該是隨機的，但實際上分子馬達幾乎只沿一個方向旋轉，這表明在“隧穿”過程中發(fā)生了能量的損失，且這種高度的方向穩(wěn)定性與探針的位置或實驗環(huán)境無關。
通過乙炔分子與鉑鎵晶體之間的相互作用，設計并制備迄今為止最小的人造馬達，并實現(xiàn)了持續(xù)的定向旋轉。在此基礎上又研究了分子馬達在量子隧穿領域的現(xiàn)象。這種超微小馬達開啟了對量子隧道過程和能量耗散效應的研究，在將來，有望通過其它形式的強制激勵（例如，光能）將能量轉換為定向運動，從原子尺度上實現(xiàn)對能量的收集。
參考來源
