在細(xì)胞內(nèi)部，分子層次上的可控運(yùn)動是各種生物體進(jìn)行生命活動的最基本的驅(qū)動力來源。而這些分子馬達(dá)如何將無規(guī)律的能量輸入，轉(zhuǎn)化為可控的分子運(yùn)動又是其中的關(guān)鍵之所在。在1959年理查德?費(fèi)曼教授的《小尺寸 大世界》的演講中首次系統(tǒng)的預(yù)言了納米技術(shù)及納米機(jī)器之后，無數(shù)人造分子機(jī)器被設(shè)計和制造出來，并被應(yīng)用于生物體系等多個領(lǐng)域。
在眾多的人造分子機(jī)器中，雖然其驅(qū)動力大都來源于量子過程，但是其運(yùn)動行為卻呈現(xiàn)經(jīng)典動力學(xué)特征，且難以被操縱實現(xiàn)量子隧穿效應(yīng)。與此同時，掃描隧道電鏡（STM）作為一種利用量子隧道效應(yīng)探測物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的儀器，為研究表面原子和分子動力學(xué)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(yùn)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(xué)院(EPFL)的研究團(tuán)隊精確設(shè)計并制備了一種僅有16個原子所構(gòu)成的分子馬達(dá)，這也是目前世界上已知的尺寸最小的分子馬達(dá)，并利用STM追蹤并表征了它的運(yùn)動狀態(tài)。
分子馬達(dá)的驅(qū)動原理
首先在結(jié)構(gòu)上，這種微觀分子“發(fā)動機(jī)”與宏觀發(fā)動機(jī)是一致的，都是由轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，作為定子；乙炔分子作為轉(zhuǎn)子位于定子之上，發(fā)生定向轉(zhuǎn)動。
作為一種馬達(dá)，其運(yùn)動方式同樣與宏觀馬達(dá)類似，“轉(zhuǎn)子”需要一個固定的運(yùn)動方向。但是由于輸入的能量是非定向的，因此馬達(dá)本身需要使用“棘輪”來確定自身旋轉(zhuǎn)方向。通過利用原子運(yùn)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(dá)實現(xiàn)單向運(yùn)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(gòu)筑了這種基本的三角形定子結(jié)構(gòu)，以最小的體積實現(xiàn)了“棘輪“功能。在這個結(jié)構(gòu)中，他的關(guān)鍵在于定子結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)對稱，摒棄了以往的鏡像對稱結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)乙炔分子的定向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動。這種高度的方向穩(wěn)定性也使本文中的分子馬達(dá)區(qū)別于以前報道的其他分子馬達(dá)。利用這種方法，為分子馬達(dá)在原子尺度的能量獲取開辟了新的思路。
分子馬達(dá)的能量來源
分子馬達(dá)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(dá)運(yùn)動，可以實現(xiàn)每秒近百萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，但是其旋轉(zhuǎn)具有隨機(jī)性；與之相反，由電能所引起的分子馬達(dá)轉(zhuǎn)動則表現(xiàn)出更強(qiáng)的方向性，但是每個電子能量的輸入僅能驅(qū)動分子馬達(dá)六分之一圈的運(yùn)動。隨著輸入能量的提高，運(yùn)動頻率隨之變大，但是過高的能量也會使轉(zhuǎn)子的在運(yùn)動方向上具有更高的隨機(jī)性，因為分子機(jī)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(xué)理論，如果分子馬達(dá)所具有的能量低于能壘高度，馬達(dá)則會停止運(yùn)動。但是本文中所設(shè)計的分子馬達(dá)在隧穿區(qū)域（TR）內(nèi)旋轉(zhuǎn)時，且溫度低于15 K、偏置電壓小于30 mV的條件下，分子馬達(dá)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(zhuǎn)動過程。
分子馬達(dá)中的量子隧道效應(yīng)
根據(jù)量子隧道效應(yīng)，當(dāng)分子馬達(dá)所具有的能量低于能壘時分子馬達(dá)也可以“隧穿”通過能壘。這種“隧穿”運(yùn)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(yùn)動的概率。但實驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)分子馬達(dá)仍以99%的超高定向性沿同一個方向旋轉(zhuǎn)。與此同時，根據(jù)熱力學(xué)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(dá)的單向旋轉(zhuǎn)過程是不存在的，因此理論上會有分子馬達(dá)呈現(xiàn)出隨機(jī)的熱旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。綜上所述，如果在隧穿中沒有能量損失，分子馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)該是隨機(jī)的，但實際上分子馬達(dá)幾乎只沿一個方向旋轉(zhuǎn)，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?qū)嶒灜h(huán)境無關(guān)。
通過乙炔分子與鉑鎵晶體之間的相互作用，設(shè)計并制備迄今為止最小的人造馬達(dá)，并實現(xiàn)了持續(xù)的定向旋轉(zhuǎn)。在此基礎(chǔ)上又研究了分子馬達(dá)在量子隧穿領(lǐng)域的現(xiàn)象。這種超微小馬達(dá)開啟了對量子隧道過程和能量耗散效應(yīng)的研究，在將來，有望通過其它形式的強(qiáng)制激勵（例如，光能）將能量轉(zhuǎn)換為定向運(yùn)動，從原子尺度上實現(xiàn)對能量的收集。
參考來源
