El motor más pequeño del mundo

El motor más pequeño del mundo, que consiste en sólo 16 átomos, fue desarrollado por un equipo de investigadores de Empa y EPFL. "Esto nos acerca al límite de tamaño final para los motores moleculares", explica Oliver Groening, jefe del Grupo de Investigación de Superficies Funcionales de Empa. El motor mide menos de un nanómetro - en otras palabras es alrededor de 100.000 veces mas pequeño que el diámetro de un cabello humano.

En principio, una máquina molecular funciona de manera similar a su contraparte en el mundo macro: convierte la energía en un movimiento dirigido. Tales motores moleculares también existen en la naturaleza, por ejemplo en forma de miosinas. Las miosinas son proteínas motoras que desempeñan un papel importante en los organismos vivos en la contracción de los músculos y el transporte de otras moléculas entre las células.

Recolección de energía en la nanoescala

Como un motor a gran escala, el motor de 16 átomos consiste en un estator y un rotor, es decir, una parte fija y otra móvil. El rotor gira sobre la superficie del estator. Puede ocupar seis posiciones diferentes. "Para que un motor pueda realmente hacer un trabajo útil, es esencial que el estator permita que el rotor se mueva en una sola dirección," explica Groening.

Como la energía que impulsa el motor puede venir de una dirección aleatoria, el propio motor debe determinar la dirección de rotación mediante un esquema de trinquete. Sin embargo, el motor del átomo funciona al contrario de lo que ocurre con un trinquete en el mundo macroscópico con su rueda dentada asimétrica: Mientras que el trinquete de un trinquete se mueve hacia arriba por el borde plano y se bloquea en la dirección del borde escarpado, la variante atómica requiere menos energía para moverse hacia arriba por el borde escarpado de la rueda dentada que en el borde plano. Por lo tanto, se prefiere el movimiento en la "dirección de bloqueo" habitual y el movimiento en "dirección de marcha" es mucho menos probable. Así que el movimiento es virtualmente sólo posible en una dirección.

Los investigadores han implementado este principio de trinquete "inverso" en una variante mínima, utilizando un estator con una estructura básicamente triangular que consiste en seis átomos de paladio y seis de galio. El truco aquí es que esta estructura es rotacionalmente simétrica, pero no simétrica como un espejo.

Como resultado el rotor (una molécula simétrica de acetileno) que consiste en solamente cuatro átomos puede girar continuamente, aunque la rotación en el sentido de las agujas del reloj y en sentido contrario debe ser diferente. "El motor tiene por lo tanto un 99% de estabilidad direccional, lo que lo distingue de otros motores moleculares similares", dice Groening. De esta manera el motor molecular abre un camino para la recolección de energía a nivel atómico.

La energía de dos fuentes

El pequeño motor puede ser alimentado tanto con energía térmica como con energía eléctrica. La energía térmica provoca que el movimiento rotatorio direccional del motor se transforme en rotaciones en direcciones aleatorias - a temperatura ambiente, por ejemplo, el rotor gira hacia adelante y hacia atrás completamente al azar a varios millones de revoluciones por segundo. Por el contrario, la energía eléctrica generada por un microscopio de barrido electrónico, desde cuya punta fluye una pequeña corriente hacia los motores, puede causar rotaciones direccionales. La energía de un solo electrón es suficiente para hacer que los rotores continúen rotando por sólo un sexto de una revolución. Cuanto mayor sea la cantidad de energía suministrada, mayor será la frecuencia de movimiento, pero al mismo tiempo, es más probable que el rotor se mueva en una dirección aleatoria, ya que demasiada energía puede superar al trinquete en la dirección "equivocada".

Según las leyes de la física clásica, se requiere una cantidad mínima de energía para poner en marcha el rotor contra la resistencia de la rampa; si la energía eléctrica o térmica suministrada no es suficiente, el rotor tendría que detenerse. Sorprendentemente, los investigadores pudieron observar una frecuencia de rotación independientemente constante en una dirección incluso por debajo de este límite - a temperaturas inferiores a 17 Kelvin (-256° Celsius) o un voltaje aplicado de menos de 30 milivoltios.

Desde la física clásica hasta el mundo cuántico

En este punto estamos en la transición de la física clásica a un campo más desconcertante: la física cuántica. Según sus reglas, las partículas pueden "hacer un túnel", es decir, el rotor puede superar el canalón aunque su energía cinética sea insuficiente en el sentido clásico. Este movimiento de túnel normalmente ocurre sin ninguna pérdida de energía. Por lo tanto, teóricamente, ambas direcciones de rotación deberían ser igualmente probables en esta área. Pero sorprendentemente, el motor sigue girando en la misma dirección con un 99% de probabilidad. "La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía en un sistema cerrado nunca puede disminuir. En otras palabras: si no se pierde energía en el evento de tunelización, la dirección del motor debería ser puramente aleatoria. El hecho de que el motor siga girando casi exclusivamente en una dirección indica por lo tanto que también se pierde energía durante el movimiento del túnel", dice Groening.

¿En qué dirección corre el tiempo?

Si abrimos el ámbito un poco más: Cuando vemos un vídeo, normalmente podemos decir claramente si el tiempo se adelanta o retrocede en el vídeo. Si vemos una pelota de tenis, por ejemplo, que salta un poco más alto después de cada impacto en el suelo, intuitivamente sabemos que el video corre hacia atrás. Esto se debe a que la experiencia nos enseña que la pelota pierde algo de energía con cada impacto y por lo tanto debe rebotar menos alto.

Si pensamos ahora en un sistema ideal en el que no se añade ni se pierde energía, se hace imposible determinar en qué dirección corre el tiempo. Tal sistema podría ser una pelota de tenis "ideal" que rebote exactamente a la misma altura después de cada impacto. Por lo tanto, sería imposible determinar si estamos viendo un vídeo de esta pelota ideal hacia adelante o hacia atrás - ambas direcciones son igualmente plausibles. Si la energía permanece en un sistema, ya no seríamos capaces de determinar la dirección del tiempo.

Pero este principio también puede invertirse: si observamos un proceso en un sistema que deja claro en qué dirección corre el tiempo, el sistema debe perder energía o, más precisamente, disipar la energía, por ejemplo a través de la fricción.

Volvamos a nuestro mini-motor: Se suele suponer que no se genera fricción durante la construcción de túneles. Al mismo tiempo, sin embargo, no se suministra energía al sistema. Entonces, ¿cómo puede ser que el rotor siempre gire en la misma dirección? La segunda ley de la termodinámica no permite ninguna excepción, la única explicación es que hay una pérdida de energía durante la construcción de túneles, incluso si es extremadamente pequeña. Por eso Groening y su equipo no solamente han desarrollado un juguete para los artesanos moleculares. "El motor podría permitirnos estudiar los procesos y las razones de la disipación de energía en los procesos de túneles cuánticos", dice el investigador de Empa.