image: A research team from Empa and EPFL has developed a molecular motor which consists of only 16 atoms and rotates reliably in one direction. It could allow energy harvesting at the atomic level. The special feature of the motor is that it moves exactly at the boundary between classical motion and quantum tunneling - and has revealed puzzling phenomena to researchers in the quantum realm. view more
Credit: Empa
Le plus petit moteur du monde - composé de 16 atomes seulement : il a été développé par une équipe de chercheurs de l'Empa et de l'EPFL. "Cela nous rapproche de la taille limite des moteurs moléculaires", explique Oliver Gröning, responsable du groupe de recherche sur les surfaces fonctionnelles de l'Empa. Le moteur mesure moins d'un nanomètre, c'est-à-dire qu'il est 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 transforme 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 pour la conduction des muscles et le transport d'autres molécules entre les cellules.
Récolte 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 d'une partie fixe et d'une partie mobile. Le rotor tourne sur la surface du stator (voir image). Il peut prendre six positions différentes. "Pour qu'un moteur puisse réellement faire un travail utile, il est essentiel que le stator permette au rotor de se déplacer dans une seule direction", explique M. Gröning.
Comme l'énergie qui entraîne le moteur peut provenir d'une direction aléatoire, le moteur lui-même doit déterminer le sens de rotation. C'est exactement le contraire de ce qui se passe avec un cliquet dans le monde macroscopique avec sa roue dentée asymétriquement dentelée : Alors que le cliquet d'un rochet remonte le bord plat et se bloque dans la direction du bord raide, la variante atomique nécessite moins d'énergie pour remonter le bord raide de la roue dentée que le bord plat. Le mouvement dans la "direction de blocage" est donc préférable et le mouvement dans la "direction de marche" beaucoup moins probable. Le mouvement n'est donc pratiquement possible que dans une seule direction.
Les chercheurs ont mis en uvre ce principe de cliquet "inversé" dans une variante minimale en utilisant un stator à structure fondamentalement triangulaire composé de six atomes de palladium et six de gallium chacun. L'astuce est que cette structure est symétrique en rotation, mais pas en miroir.
Par conséquent, le rotor (une molécule d'acétylène symétrique) composé de quatre atomes seulement peut tourner de façon continue, bien que la rotation dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse d'une montre doive être différente. "Le moteur a donc une stabilité directionnelle de 99%, ce qui le distingue d'autres moteurs moléculaires similaires", explique M. Gröning. Ainsi, le moteur moléculaire ouvre une voie pour la récolte d'énergie au niveau atomique.
Une énergie provenant de deux sources
Le minuscule moteur peut être alimenté à la fois par de l'énergie thermique et électrique. L'énergie thermique fait en sorte que le mouvement rotatif directionnel du moteur se transforme en rotations dans des directions aléatoires - à température ambiante, par exemple, le rotor tourne dans un sens et dans l'autre de manière complètement aléatoire à plusieurs millions de révolutions par seconde. En revanche, l'énergie électrique générée par un microscope à balayage électronique, dont la pointe est alimentée par un petit courant, peut provoquer des rotations directionnelles. L'énergie d'un simple électron est suffisante pour que les rotors continuent à tourner d'un sixième de tour seulement. Plus la quantité d'énergie fournie est importante, plus la fréquence de mouvement 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, une quantité minimale d'énergie est 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 doit s'arrêter. De manière surprenante, les chercheurs ont pu observer une fréquence de rotation constante dans une direction, même en dessous de cette limite - à des températures inférieures à 17 Kelvin (-256° Celsius) ou à une tension appliquée de moins de 30 millivolts.
De la physique classique au monde quantique
Nous sommes actuellement en train de passer de la physique classique à un domaine plus déroutant : la physique quantique. Selon ses règles, les particules peuvent "creuser un tunnel", c'est-à-dire que le rotor peut surmonter la chute même si son énergie cinétique est insuffisante au sens classique. Ce mouvement de tunnel se produit normalement sans aucune perte d'énergie. Théoriquement, les deux sens de rotation devraient donc être identiques dans cette zone. Mais, chose surprenante, le moteur tourne toujours dans le même sens avec 99% de probabilité. "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 le tunnel, la direction du moteur devrait être purement aléatoire. Le fait que le moteur tourne encore presque exclusivement dans un sens indique donc que de l'énergie est également perdue pendant le mouvement du tunnel", explique M. Gröning.
Dans quel sens le temps passe-t-il ?
Si on ouvre un peu le champ d'application : Lorsque nous regardons 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 un peu d'énergie à chaque impact et devrait 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 s'écoule. Un tel système pourrait être une balle de tennis "idéale" qui rebondit exactement à la même hauteur après chaque impact. Il serait donc impossible de déterminer si nous regardons une vidéo de cette balle idéale vers l'avant ou vers l'arrière - les deux directions sont également plausibles. Si l'énergie reste dans un système, nous ne pourrions plus déterminer la direction du temps.
Mais ce principe peut également 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 de l'énergie - par exemple par frottement.
Revenons à notre mini-moteur : On suppose généralement qu'aucune friction n'est générée lors de la construction d'un tunnel. Mais en même temps, 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 n'autorise aucune exception - la seule ex-planation est qu'il y a une perte d'énergie pendant le creusement d'un tunnel, même si elle est extrêmement faible. C'est pourquoi M. Groening et son équipe n'ont pas seulement mis au point 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 de tunnelage quantique", dit le chercheur de l'Empa.
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Journal
Proceedings of the National Academy of Sciences