Electron chui hầm có thể lái động cơ nano

Mặc dù mẫu thiết kế của họ không được xác nhận bằng thực nghiệm, nhưng đội nghiên cứu nói nó rất giống với cách thức các động cơ sinh học xuất hiện tự nhiên hoạt động.

Một lúc nào đó trong tương lai, những con “robot nano” tự trị này có thể sẽ được sử dụng để tiến hành nhiều công việc đa dạng như lắp ráp các mạch điện tử hoặc phân phối thuốc đến những bộ phận đặc biệt của cơ thể. Nhưng trước khi điều này trở thành hiện thực, các nhà công nghệ nano học phải đi tới những phương pháp thực tiễn lái đẩy những dụng cụ như thế - công việc tỏ ra rất khó vì các động cơ thông thường không thể thu nhỏ lại đến kích cỡ nano mét.

Tuy nhiên, tự nhiên ẩn chứa rất nhiều động cơ nano – ví dụ, một số vi khuẩn và những sinh vật nhỏ bé khác tự đẩy chúng đi bằng những cấu trúc kiểu roi lái bởi những động cơ sinh học phân tử. Không có gì ngạc nhiên khi mà các nhà nghiên cứu đang tìm kiếm những “động cơ sinh học” như vậy để lấy cảm hứng.

Cấp nguồn bằng electron chui hầm

Sự chui hầm cơ lượng tử của các proton được tin là cái cốt lõi của một số động cơ sinh học, và nay Petr Král và các đồng sự tại trường Đại học Illinois ở Chicago vừa chứng tỏ được rằng electron chui hầm có thể sử dụng để lái những động cơ nano nhân tạo (Phys. Rev. Lett.101186808).

Đội nghiên cứu sử dụng các chương trình mô phỏng máy tính động lực học phân tử để lập mô phỏng các động cơ nano gồm một trục ống nano carbon với các “thân” phân tử tận cùng bởi các “phiến” dẫn (xem hình). Động cơ tương tự như một bánh xe nước, ngoại trừ ở chỗ tại một thời điểm một electron chui hầm giữa các điện cực cố định và các phiến đang di chuyển.

Với mỗi electron đi qua các phiến, dụng cụ quay đi hoặc 120 ^ohoặc 60 ^o– tùy thuộc vào các phiến được cấu hình như thế nào. Chuyển động quay xảy ra vì tác động chung của sự tích điện và phóng điện các phiến gần nhất với các điện cực tạo ra một mômen lưỡng cực điện cực trong động cơ. Lưỡng cực này là đối tượng cho điện trường tạo ra bởi hai điện cực tích điện trái dấu và mômen quay thu được lái động cơ.

Rất giống với một số động cơ sinh học

Cơ chế này rất giống với cách thức một số động cơ sinh học hoạt động, Král phát biểu với physicsworld.com. “Động cơ của chúng tôi tác động từng electron tuần tự - trong khi các động cơ sinh học tác động lên từng proton riêng lẻ - và quay đi đối với mỗi electron đi qua”.

Đội nghiên cứu tin rằng những động cơ như vậy sẽ thật tráng kiện vì các khiếm khuyết đơn nguyên tử có mặt trong tất cả những dụng cụ cấp độ nhỏ như vậy sẽ không ảnh hưởng đến cơ chế động cơ – nhất là nếu chúng được chế tạo theo nhiều đơn vị song song, hay “kiểu bàn chải”. Chúng cũng sẽ hoạt động ở nhiệt độ phòng, điều đó quan trọng đối với những ứng dụng thế giới thực.

Quan trọng nhất là chúng có thể được sử dụng để lái những cỗ máy cấp độ nano, ví dụ như chân vịt phân tử. Một khi nối kết với những dụng cụ như thế, chúng có thể bơm chất lỏng ở cấp độ nano, chẳng hạn, hoặc điều khiển và di chuyển các hệ cấp độ nano khác.

Các hệ nhân tạo này sẽ trội hơn những người anh em sinh học của chúng trên nhiều phương diện, Král thêm. Chẳng hạn, chúng có thể quay nhanh hơn một triệu lần hoặc nhanh hơn. Ngoài ra, các hệ này và các hệ nhân tạo trong tương lai có thể kết hợp với các động cơ sinh học để chế tạo thành những hệ lai.

Král và các đồng sự đã tiến hành một vài mô phỏng động cách thức động cơ hoạt động. Bạn có thể xem trực tuyến tại:http://www.chem.uic.edu/pkral/movies.html.