Une équipe de recherche de l'Empa et de l'EPFL a développé un moteur moléculaire composé de seulement 16 atomes et tournant de manière fiable dans un sens. Il pourrait permettre la récupération d'énergie au niveau atomique. La particularité du moteur est qu'il se déplace exactement à la frontière entre le mouvement classique et l'effet tunnel quantique - et a révélé des phénomènes déroutants aux chercheurs du domaine quantique.

Le plus petit moteur du monde, composé de seulement 16 atomes :il a été développé par une équipe de chercheurs de l'Empa et de l'EPFL. « Cela nous rapproche de la limite de taille ultime pour les moteurs moléculaires, " explique Oliver Gröning, responsable du groupe de recherche Surfaces fonctionnelles de l'Empa. Le moteur mesure moins d'un nanomètre, c'est-à-dire environ 100, 000 fois plus petit que le diamètre d'un cheveu humain.

En principe, une machine moléculaire fonctionne de la même manière que son homologue dans le monde macro :elle convertit l'énergie en un mouvement dirigé. De tels moteurs moléculaires existent également dans la nature, par exemple sous la forme de myosines. Les myosines sont des protéines motrices qui jouent un rôle important dans les organismes vivants dans la contraction des muscles et le transport d'autres molécules entre les cellules.

Récupération d'énergie à l'échelle nanométrique

Comme un moteur à grande échelle, le moteur à 16 atomes se compose d'un stator et d'un rotor, c'est-à-dire une partie fixe et une partie mobile. Le rotor tourne sur la surface du stator (voir photo). Il peut occuper six positions différentes. "Pour qu'un moteur fasse réellement un travail utile, il est essentiel que le stator permette au rotor de se déplacer dans un seul sens, " explique Gröning.

Étant donné que l'énergie qui entraîne le moteur peut provenir d'une direction aléatoire, le moteur lui-même doit déterminer le sens de rotation à l'aide d'un schéma à cliquet. Cependant, le moteur atomique fonctionne à l'opposé de ce qui se passe avec un cliquet dans le monde macroscopique avec sa roue dentée asymétriquement dentée :tandis que le cliquet sur un cliquet remonte le bord plat et se verrouille dans la direction du bord raide, la variante atomique nécessite moins d'énergie pour remonter le bord raide de la roue dentée qu'elle ne le fait au bord plat. Le mouvement dans le "sens de blocage" habituel est donc préféré et le mouvement dans le "sens de marche" beaucoup moins probable. Le mouvement n'est donc pratiquement possible que dans un seul sens.

Les chercheurs ont mis en œuvre ce principe de cliquet « inverse » dans une variante minimale en utilisant un stator avec une structure essentiellement triangulaire composée de six atomes de palladium et six atomes de gallium. L'astuce ici est que cette structure est à symétrie de rotation, mais pas à symétrie miroir.

Par conséquent, le rotor (une molécule d'acétylène symétrique) constitué de seulement quatre atomes peut tourner en continu, bien que la rotation dans le sens horaire et antihoraire doit être différente. "Le moteur a donc une stabilité directionnelle de 99%, ce qui le distingue des autres moteurs moléculaires similaires, " dit Gröning. De cette façon, le moteur moléculaire ouvre la voie à la récupération d'énergie au niveau atomique.

L'énergie de deux sources

Le petit moteur peut être alimenté à la fois par de l'énergie thermique et électrique. L'énergie thermique provoque que le mouvement de rotation directionnel du moteur se transforme en rotations dans des directions aléatoires - à température ambiante, par exemple, le rotor tourne d'avant en arrière de manière complètement aléatoire à plusieurs millions de tours par seconde. En revanche, l'énergie électrique générée par un microscope à balayage électronique, à partir de laquelle un petit courant circule dans les moteurs, peut provoquer des rotations directionnelles. L'énergie d'un seul électron est suffisante pour que les rotors continuent à tourner d'un sixième de tour seulement. Plus la quantité d'énergie fournie est élevée, plus la fréquence des mouvements est élevée, mais en même temps, plus le rotor est susceptible de se déplacer dans une direction aléatoire, car trop d'énergie peut vaincre le cliquet dans la "mauvaise" direction.

Selon les lois de la physique classique, il y a un minimum d'énergie nécessaire pour mettre le rotor en mouvement contre la résistance de la goulotte; si l'énergie électrique ou thermique fournie n'est pas suffisante, le rotor devrait s'arrêter. Étonnamment, les chercheurs ont pu observer une fréquence de rotation constante indépendamment dans une direction, même en dessous de cette limite, à des températures inférieures à 17 Kelvin (-256 ° Celsius) ou à une tension appliquée inférieure à 30 millivolts.

De la physique classique au monde quantique

À ce stade, nous sommes à la transition de la physique classique à un domaine plus déroutant :la physique quantique. Selon ses règles, les particules peuvent « tunnel », c'est-à-dire le rotor peut venir à bout de la goulotte même si son énergie cinétique est insuffisante au sens classique. Ce mouvement en tunnel se produit normalement sans aucune perte d'énergie. Théoriquement, donc, les deux sens de rotation devraient être également probables dans cette zone. Mais étonnamment, le moteur tourne toujours dans le même sens avec une probabilité de 99%. "La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie dans un système fermé ne peut jamais diminuer. En d'autres termes :si aucune énergie n'est perdue dans l'événement tunnel, la direction du moteur doit être purement aléatoire. Le fait que le moteur tourne encore presque exclusivement dans un sens indique donc que de l'énergie est également perdue lors du mouvement du tunnel, " dit Gröning.

Dans quel sens le temps passe-t-il ?

Si on ouvre un peu plus le scope :Quand on regarde une vidéo, nous pouvons généralement dire clairement si le temps avance ou recule dans la vidéo. Si nous regardons une balle de tennis, par exemple, qui saute un peu plus haut après chaque impact au sol, nous savons intuitivement que la vidéo tourne à l'envers. En effet, l'expérience nous apprend que la balle perd de l'énergie à chaque impact et doit donc rebondir moins haut.

Si nous pensons maintenant à un système idéal dans lequel ni l'énergie n'est ajoutée ni perdue, il devient impossible de déterminer dans quelle direction le temps passe. Un tel système pourrait être une balle de tennis « idéale » qui rebondit exactement à la même hauteur après chaque impact. Donc, il serait impossible de déterminer si nous regardons une vidéo de cette balle idéale en avant ou en arrière - les deux directions sont également plausibles. Si l'énergie reste dans un système, nous ne serions plus capables de déterminer la direction du temps.

Mais ce principe peut aussi être inversé :si nous observons un processus dans un système qui indique clairement dans quelle direction le temps s'écoule, le système doit perdre de l'énergie ou, plus précisément, dissiper l'énergie, par exemple par friction.

Revenons à notre mini-moteur :il est généralement admis qu'aucune friction n'est générée lors du creusement du tunnel. À la fois, cependant, aucune énergie n'est fournie au système. Alors comment se fait-il que le rotor tourne toujours dans le même sens ? La deuxième loi de la thermodynamique ne permet aucune exception - la seule explication est qu'il y a une perte d'énergie pendant le tunnel, même s'il est extrêmement petit. Gröning et son équipe n'ont donc pas seulement développé un jouet pour les artisans moléculaires. "Le moteur pourrait nous permettre d'étudier les processus et les raisons de la dissipation d'énergie dans les processus d'effet tunnel quantique, ", explique le chercheur de l'Empa.