需要提高速度的分子 - 世界上最小型的汽车比赛是在真空状态下进行的

需要提高速度的分子 - 世界上最小型的汽车比赛是在真空状态下进行的

纳米汽车极其微小,只由一个分子构成。几周前,此类型“赛车”在法国图卢兹参加了一场比赛,比赛在超高真空和接近绝对零度这一极端条件下进行。
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这场比赛没有任何嗡嗡叫的发动机和危险的超车操作;而且速度一点也不疯狂,因为它是以纳米测量而不是以公里/小时作为测量单位。尽管如此,这些微小参与者之间的竞争也是难得一见的激烈,因为它涉及到对单个分子、原子和亚原子粒子的控制。

真空助力自由行驶

所用赛场由纯金制成,只有数百纳米长。而且,纳米比赛是在极其严寒的条件下进行。为了引导参赛汽车沿着跑道行驶,必须将分子自身的动能减至最低,为此,使用液氮和氦气将赛场冷却到零下 269°C。几乎没有什么东西能够在接近绝对零度的条件下自动移动。

为了使车辆能够自由行驶,需要将赛场中的异类原子彻底清除干净。即使是最小的污染物,例如大气中的氧气分子,也能将纳米汽车抛出跑道。为了维持这些条件,比赛在超高真空环境下进行。在涡轮增压器和离子吸气真空泵的帮助下,压力减至 10-11 毫巴。

以原子为路标

黄金赛场在赛前还进行了彻底清洗:先用离子对其表面进行轰击,然后加热,以确保跑道平坦。然后,纳米科学家们沿着跑道添加各个金原子,标出赛车路线。

接下来的挑战是将分子汽车放到跑道中,同时确保放置过程中不会毁坏它们。为实现这一目的,将这些分子汽车放在准备室中加热,直到蒸发掉为止。然后,从这些分子汽车中选择合适的参赛选手,并随后将其放到黄金跑道表面。

使用隧道流检测

这些赛车极其微小,每一辆大约只有一根头发直径的十万分之一那么大,用光学显微镜都看不到,因为光波的波长实在太长了。为此,研究小组利用扫描隧道显微镜跟踪比赛情况。在此工具中,导电探针(其尖端只由一个原子组成)在跑道表面上间距只有几纳米的网格形状中移动。

虽然探针尖端和调查对象从不接触,但根据量子力学的规则,在施加低电压时会产生隧道流。隧道流的流量很大程度上取决于调查对象与探针之间的距离。当扫描金箔时,探针尖端得到精确的控制,使距离和流量始终保持不变。这样,科学家们即可制作出赛道的高度轮廓,并作出纳米汽车的地形标示。

八小时抵达终点

事实上,研究人员不仅可以使用探针来显示纳米汽车,还能控制它们的移动。此外,他们还会利用隧道流。在图卢兹汽车比赛中,有几辆纳米汽车即利用此方法通过增加电子将能量提升到一个更高的水平。车辆立即重新释放此能量并将其转化为动能。其他比赛小组则是利用电极的静电斥力向前移动。

此外,还可以利用探针的尖端以机械方式引导车辆到达目的地,但在比赛过程中,只有在非常紧急的情况下才允许这么做。获胜的瑞士团队不需要采用这种操控方法。他们的瑞士纳米改装车 (Swiss Nano Dragster) 速度达到每小时约十二纳米,此速度可能突破了纪录,在约八小时后,它以最快速度冲过黄金终点线。就像在大型比赛中一样,成功少不了香槟庆祝。

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科学家们只允许使用大约一百个原子来建造微型汽车。不过,对于汽车的构成或外观,并没有严格的规范。

气垫车原理摘得桂冠

六个不同的研究团队所提供的车身显然各异:实际上,法国团队、美国团队以及美国和奥地利合作团队的纳米汽车都类似于常见的四轮汽车,而日本团队的汽车则会令人想到骨头,德国团队的参赛汽车类似于风车结构。巴塞尔大学的成功设计遵循了气垫车的原理。扁平分子由四个 Y 状排列的碳环组成。该结构汽车使用甲基作为前扰流板,发动机由三个碳原子构成。然而,巴塞尔的纳米科学家们并没有专门针对此次微型汽车比赛研发分子:在由瑞士团队进行的日常研究中,瑞士纳米改装车被用作有机太阳能电池组件。


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