由瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）和洛桑联邦理工学院（EPFL）的科学家联合研究小组，开发了一种分子马达，该分子马达仅由16个原子组成，并且可以在一个方向上可靠地旋转。它可以允许原子级的能量收集。电机的特点是，它恰好在经典运动与量子隧穿之间的边界处移动，并且向量子领域的研究人员揭示了令人费解的现象。

研究团队负责人OliverGrning解释说：“这使我们接近了分子电动机的尺寸极限。”电机的尺寸小于一纳米，也就是说，它比人的头发直径小10万倍。

原则上，分子机的功能与其在宏观世界中的对应机相似：将能量转换为定向运动。这样的分子马达也存在于自然界中，例如以肌球蛋白的形式。肌球蛋白是运动蛋白，在生物体的肌肉收缩和其他分子在细胞之间的运输中起重要作用。

纳米级的能量收集

与大型电动机类似，16原子电动机由定子和转子组成，即固定部分和运动部分。转子在定子表面旋转。它可以占据六个不同的位置。为了使电动机真正发挥作用，至关重要的是定子必须使转子只能沿一个方向移动。

由于驱动电动机的能量可能来自随机方向，因此电动机本身必须使用棘轮方案确定旋转方向。但是，原子电动机的运行与宏观世界中带有不对称锯齿状齿轮的棘轮相反：棘轮上的棘爪沿平坦边缘向上移动并锁定在陡峭边缘的方向上，而原子变体所需的扭矩却更少沿齿轮的陡峭边缘向上移动的能量，要比在平坦边缘向上移动的能量大。因此，通常沿“阻挡方向”运动是优选的，而沿“运行方向”运动的可能性则小得多。因此，实际上只能在一个方向上移动。

如上图所示世界上最小的电动机，具有六个处于不同旋转状态的哑铃形转子分子的PdGa表面的扫描隧道显微镜图像（放大倍数约为5千万）。定子（蓝红色）和转子（灰白色，在略微倾斜的垂直方向）的按比例缩放的原子结构如右图所示。

研究人员通过使用具有六个三角形和六个钯原子的三角形结构的定子，以最小的变体实现了这种“反向”棘轮原理。这里的技巧是这种结构是旋转对称的，而不是镜像对称的。

结果，尽管顺时针和逆时针旋转必须不同，但是仅由四个原子组成的转子（对称的分子）可以连续旋转。因此，电动机具有99％的方向稳定性，这使其与其他类似的分子电动机区别开来，通过这种方式，分子电动机为原子级的能量收集开辟了一条途径。

来自两种来源的能量

微型电动机可以由热能和电能驱动。热能引起电动机的定向旋转运动沿随机方向改变，例如在室温下，转子以每秒几百万转的速度完全随机地来回旋转。相比之下，由电子扫描显微镜产生的电能会导致方向旋转，电能从其尖端流入电机。单电子的能量足以使转子继续旋转仅仅六分之一圈。供给的能量越高，运动的频率越高，但是同时，转子在随机方向上运动的可能性也就越大，因为太多的能量可以克服“错误”方向上的棘爪。

根据经典物理学的定律，使转子相对于滑槽的阻力运动所需的能量最少。如果提供的电能或热能不足，则必须停止转子。出乎意料的是，研究人员能够在甚至低于此极限的一个方向上观察到一个独立的恒定旋转频率-温度低于17开尔文（-摄氏度）或施加的电压低于30毫伏。

从古典世界到量子世界

这一世界上最小的电动机处于从古典物理学到更令人费解的量子物理学领域的过渡。根据量子物理学规则，粒子可以“挖洞”，也就是说，即使转子的动能在传统意义上不足，转子也可以克服滑道。这种隧道运动通常在没有任何能量损失的情况下发生。因此，从理论上讲，在该区域中两个旋转方向均应同样可能。但是令人惊讶的是，电动机仍以99％的概率向同一方向旋转。热力学第二定律指出，封闭系统中的熵永远不会减小。换句话说：如果在隧穿事件中没有能量损失，则电动机的方向应该纯粹是随机的。事实上，电动机仍然几乎只能旋转因此，在一个方向上的能量表示在隧道移动过程中也会失去能量。

时间走哪条路？

如果打开一点示波器观看视频时，通常可以清楚地知道时间在视频中是向前还是向后。例如，如果我们看一个网球，它在每次撞击地面后会跳得更高一点，那么我们直观地知道该视频向后跑。这是因为经验告诉我们，每次撞击球都会损失一些能量，因此反弹的高度应该较小。

如果我们现在考虑一个既不增加能量又不损失能量的理想系统，那么就无法确定时间在哪个方向上运行。这样的系统可以是一个“理想的”网球，它在每次撞击后会以完全相同的高度反弹。因此，不可能确定正在观看该理想球向前还是向后的视频，这两个方向都是合理的。如果能量保留在一个系统中，将不再能够确定时间方向。

但是，该原理也可以颠倒：如果我们观察到系统中的某个过程清楚地表明了时间的运行方向，则该系统必须损失能量，或更确切地说，要耗散能量，例如通过摩擦。

回到这一世界上最小的电动机：通常假定在隧道进程中不会产生摩擦。但是与此同时，没有能量提供给系统。那么，如何使转子始终向同一方向旋转呢？热力学第二定律不允许有任何例外，唯一的解释是，即使在隧穿过程中，能量的损失非常小，也存在能量损失。

研究人员表示：“因此，研究团队不仅为分子科学家开发了探索微观世界的玩具，这样的微小电动机可以研究量子隧穿过程和能量耗散的原因。”

参考：Molecularmotorcrossingthefrontierofclassicaltoquantumtunnelingmotion,ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences().