最小马达只包含16个原子，能够在原子水平上收集能量。

《美国国家科学院院刊》报道，瑞士Empa材料科学与技术联邦实验室以及瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）近日合作开发出了世界上最小的马达——仅由16个原子构成。

与大型马达类似，16原子马达也由一个定子和一个转子组成。转子在定子表面旋转，并且可以占据6个不同的位置。

Empa功能表面研究小组负责人Oliver Groning解释说：“对于做有用功的马达来说，定子控制转子只向一个方向运动是至关重要的。”

驱动马达的能量可能来自随机方向，因此马达必须依靠棘轮方案决定旋转方向。通常来说，“阻塞方向”的运动是首选，而“运动方向”的运动则概率很低。因此，运动实际上只可能在一个方向上进行。

研究人员利用6个钯原子和6个镓原子组成的三角形定子实现了这种“反向”棘轮原理。此处的关键是结构的旋转对称性。只有4个原子组成的转子（对称的乙炔分子）由此得以连续旋转。Groning说：“分子马达具有99%的方向稳定性，这是它有别于其他类似分子马达之处。”

分子马达可以由热能和电能提供动力。热能使马达的定向旋转变为随机旋转。相比之下，由电子扫描显微镜产生的电能，则可以引发定向旋转。单个电子的能量足以使转子旋转六分之一圈。外界提供的能量越高，运动的频率也就越快，但这也会使转子更有可能朝着随机方向运动。

根据经典物理学定律，为了使转子在运动中对抗阻力，需要超过最低能量。如果电能或热能不足，转子将停止运动。

令人惊讶的是，Groning等在低温（17开尔文）或低电压（小于30毫伏）条件下，在固定方向上观察到了独立、恒定的旋转频率。研究人员表示，在这一点上，就必须将视线从经典物理学转向量子物理学。量子物理学理论显示，即使转子动能在经典意义上是不足的，也能通过“隧穿效应”越过能垒。

Groning说：“热力学第二定律指出，封闭系统的熵永不减少。换句话说，如果在隧穿过程中没有能量损失，马达的方向应该是随机的。然而，马达几乎只在一个方向上旋转。因此，我们认为隧穿时出现了能量损失。”

原创编译：雷鑫宇 审稿：西莫 责编：张梦

期刊来源：《美国国家科学院院刊》

期刊编号：0027-8424

原文链接：https://www.empa.ch/web/s604/molecular-motor

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