15.11.2012

Как построить молекулярный двигатель, использующий энергию хаоса

Учёные из Свободного университета в Берлине (Германия), используя случайные колебания единичной водородной молекулы, заставили кварцевый кантилевер равномерно осциллировать. Эффект был достигнут за счёт возбуждения молекулы водорода электронами, а также благодаря использованию кристалла, способного к стабильной осцилляции.

Для создания кантилевера к игле зонда электронного микроскопа была прикреплена продолговатая полоска кварца. Затем зонд был помещён рядом с кусочком меди так, чтобы между ними находилась только одна молекула водорода. Слабый электрический ток, поданный на молекулу, заставил её случайным образом колебаться между двумя состояниями (вперёд — назад), генерируя так называемый белый шум. Это случайное, но постоянное колебание молекулы вызывает чередование притяжения и отталкивания кантилевера, заставляя его также немного двигаться вперёд и назад. Ну а перемещения кантилевера, в свою очередь, оказывают влияние на колебания водородной молекулы.

Детально изучив поведение данной системы, физики обнаружили, что, варьируя начальное напряжение, подаваемое на молекулу, можно добиться постепенного перехода кантилевера к состоянию равномерной осцилляции. Более того, выяснилось, что существует возможность модификации колебательного движения водородной молекулы, позволяющая достичь более высокой амплитуды (настолько высокой, что случайные движения единственной водородной молекулы способны заставить двигаться объект, размер которого в 10¹⁹ раз превосходит саму молекулу).

Построенная учёными система представляет собой пример классического стохастического резонанса, при котором происходит резкое усиление периодического сигнала под действием белого шума определённой мощности. Настоящая цель подобных исследований заключается в нахождении путей, которые позволили бы надёжно получать полезную энергию из, казалось бы, совершенно хаотических систем. Само явление стохастического резонанса довольно универсально, присуще многим нелинейным природным системам, что и вдохновляет учёных на попытки его репликации в лабораторных условиях.

Подводя черту под исследованием, результаты которого опубликованы в журнале Science, учёные полагают, что их эксперимент продемонстрировал теоретическую возможность построения молекулярного мотора нового типа, способного трансформировать «случайную» (или хаотическую) энергию в предсказуемое координированное движение в весьма малом масштабе.

Исследования в этой области будут продолжены; авторы намерены выяснить, какие ещё материалы можно использовать для получения подобного эффекта, включая напрашивающуюся замену электрического напряжения светом.

Подготовлено по материалам Phys.Org.

Роман Иванов

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА