Двигатели для наноустройств будущего смогут работать на тяге, создаваемой квантовым эффектом туннелирования.Некогда в будущем, крохотные нанороботы примут на себя массу забот, от сборки миниатюрных микросхем и до «ремонта» поврежденных органов в нашем теле. Но прежде чем подобное станет реальностью, необходимо практическое решение проблемы их передвижения: какое использовать топливо и какие двигатели. Традиционные моторы на наноуровне просто неприменимы. Есть варианты использовать крохотные перепады температур («Первый наномотор») или двигатель, работающий на наноструктурированном пористом кремнии («Топливо для нанороботов»). Однако ни одно из решений не стало пока настолько удобным и простым, чтобы получить повсеместное признание.

Нанодвигатели на туннельном эффекте – варианты с 3 и 6 лопастями из фуллеренов. Перемещение заряженных электронов помечено значком q; дипольный момент отмечен красной стрелкой и значком p.

Возможно, ученым стоит поучиться у природы? Здесь, в микромире, обнаруживается масса «наномоторов», то есть, миниатюрных и эффективных механизмов, приводящих во вращение жгутики и обеспечивающих движение, скажем, бактериальной клетки.

Некоторые из этих «биомоторов», считается, используют в своей работе квантовый туннельный эффект, тот же самый, который дает возможность работать и современным туннельным микроскопам. Вкратце объясним, как это происходит. При прохождении тончайшей иглы (на конце – не толще атома) близко над поверхностью образца часть электронов из него «перепрыгивает» через вакуум, создавая ток от образца к игле. Величина тока сильно меняется в зависимости от дистанции, так что малейшие перепады на поверхности образца можно зафиксировать. Подробнее об устройстве электронных микроскопов мы рассказывали в заметке «Туннель в наномир».

Расчеты, проведенные американскими учеными во главе с Петром Кралем (Petr Krбl), показали, что тот же туннельный эффект можно использовать и для приведения в действие искусственно созданных наномоторов. Ученые смоделировали структуру, состоящую из короткой углеродной нанотрубки, к которой прикреплены 3 или 6 молекул-«ножек», заканчивающиеся «лопастями», проводящими ток. Взгляните на схему слева – структура эта очень похожа на колесо старинной водяной мельницы. Но работает она намного хитрее: между неподвижно закрепленными электродами и подвижными лопастями время от времени проскакивает электрон.

И с каждым таким «проскоком» ротор вращается на 120 или 60 градусов, в зависимости от числа «ножек». Дело в том, что появление заряда на одной лопасти и его исчезновение на другой создает кратковременный дипольный момент на роторе в целом. И этот диполь моментально стремится выровняться во внешнем поле, которое также создают электроды.

По мнению Петра Краля, такая система может отличаться крайней надежностью, ведь нарушение отдельных элементов ее не ведет к полному выключению. Работать она сможет и при обычной температуре, двигая наноустройства вперед, к цели, к нашему светлому будущему.

Кстати, как показали недавние исследования, сложный и тонкий квантовый эффект туннелирования обеспечивает и работу нашего обоняния.