Gyorsaságra törekvő molekulák - A világ legkisebb „autóinak” versenyét vákuumban folytatják le

Gyorsaságra törekvő molekulák - A világ legkisebb „autóinak” versenyét vákuumban folytatják le

A parányi nano-autók egyetlen molekulából állnak. Alig néhány héttel ezelőtt került sor erre az „autóversenyre” a franciaországi Toulouse-ban, amelyet rendkívüli körülmények között rendeztek meg: extra mélyvákuumban és az abszolút nulla fokhoz közeli hőmérsékleten.
03_NanoCar.jpg

A versenyen nem zúgtak motorok és nem hajtottak végre veszélyes előzési manővereket, és a sebességet sem lehet őrületesen magasnak nevezni, mivel nem kilométer per órában, hanem nanométerben mérték. Ennek ellenére a parányi résztvevőknek ez a versenye mégis különleges és izgalmas, mert irányították az egyes molekulákat, atomokat és szubatomi részecskéket.

Akadálytalan futás a vákuumnak köszönhetően

A kérdéses versenypálya néhány száz nanométer hosszú volt és tiszta aranyból készült. Sőt mi több, erre a nano-versenyre rendkívül alacsony hőmérsékleten került sor. Annak érdekében, hogy a versenyzőket irányíthassák ezen a versenypályán, minimálisra kellett csökkenteni a molekulák saját mozgását, ezért a verseny helyszínét folyékony nitrogén és hélium használatával lehűtötték mínusz 269°C hőmérsékletre. Szinte minden önmozgás megszűnik ennyire közel az abszolút nulla fokhoz.

A járművek akadálytalan futása érdekében a versenypályán nem lehetnek idegen atomok. Még a legkisebb szennyeződés, például egyetlen légköri oxigénmolekula is letérítheti a nano-autót a pályáról. Ezeknek a feltételeknek a fenntartása érdekében a versenyt extra mélyvákuumban rendezték meg. Turbó és ion getter vákuumszivattyúk használatával 10-11 mbar-ra csökkentették a nyomást.

Atomok jelölték a pályát

Az arany versenypályát a verseny előtt alaposan megtisztították: a felületét ionokkal bombázták, majd felhevítették, hogy tökéletesen sima legyen. Utána a nanotechnológia tudósai különálló aranyatomokat helyeztek el a pálya mentén, ezzel jelezték az útvonalat a járművek számára.

A következő kihívás a molekuláris méretű autók elhelyezése volt a pályán, de úgy, hogy ezzel ne pusztítsák el azokat. Ennek érdekében előkészítő kamrában felmelegítették a molekulákat, míg végül elpárologtak. Aztán kiválasztották a megfelelő jelöltet a versenyhez azok közül a molekulák közül, amelyek végül megtelepedtek az arany versenypálya felületén.

Észlelés alagút-áramlással

A parányi versenyzőket – a méretük hozzávetőlegesen az emberi haj átmérőjének egy százezred része – optikai mikroszkópokkal nem lehet megfigyelni, mivel a fény hullámhossza ehhez túl nagy. Ezért a kutatócsoport pásztázó alagútmikroszkóppal követi nyomon a verseny eseményeit. Ebben az eszközben egy elektromosan vezető szondát – a csúcsa egyetlen atomból áll – mozgatnak a versenypálya felülete fölött rács alakzatban, alig néhány nanométeres intervallumokban.

Jóllehet a kvantummechanika szabályai szerint a szonda csúcsa és a vizsgált tárgy soha nem érintkezik egymással, mégis létrejön az alagút-áramlás, ha alacsony feszültséget alkalmaznak. Ennek az áramlásnak a mértéke jelentős mértékben függ a tárgy és a szonda közötti távolságtól. Az aranyfólia pásztázása során a csúcsot nagyon pontosan vezérlik olyan módon, hogy a távolság és az áramlás mértéke mindig állandó maradjon. Ez lehetővé teszi a tudósok számára magassági profil létrehozását a versenypályához a nano-autók topográfiai megjelenítésével.

A cél elérése nyolc óra alatt

A kutatók valójában nemcsak az autók megjelenítésére használják a szondát, hanem mozgásuk irányítására is. Emellett az alagút-áramlást is használják. Toulouse-ban ezt a módszert használták fel arra, hogy néhány molekuláris járművet magasabb energiaszintre helyezzenek egy elektron hozzáadásával. A járművek azonnal felhasználták ezt az energiát és átalakították mozgássá. Más versenyző csapatok az elektródák elektrosztatikus taszítását használták fel a mozgás kiváltásához.

A járművek mechanikus módon kormányozhatók is a cél felé a szonda csúcsának felhasználásával, de a verseny során ezt csak súlyos vészhelyzetben engedélyezték. A győztes svájci csapatnak nem kellett ilyen manipulációhoz folyamodnia. A svájci Nano Dragster valószínűleg új csúcsot állított fel, mert elérte az óránkénti körülbelül tizenkét nanométeres sebességet, és elsőként haladt át az aranyból készült célvonalon mintegy nyolc órai száguldás után. A valódi autóversenyekhez hasonlóan a sikert itt is pezsgővel ünnepelték.

A Busch látja el ezeket a kutatóintézeteket vákuumtechnológiával az egész világon. A fiatal kutatók és fejlesztők támogatása érdekében a Busch vákuumtechnológia biztosításával szponzorál egyetemeket és hallgatói munkacsoportokat.


A tudósok csak körülbelül száz atomot használhattak fel a miniatűr autók felépítéséhez. Nem határoztak meg azonban szigorú műszaki feltételeket felépítésükre vagy külső megjelenésükre vonatkozóan.

A légpárnás elven működő autó győz

A hat önálló csapat által biztosított karosszéria egyértelműen más és más volt: a francia, az amerikai, valamint az amerikai-osztrák együttműködésben létrejött nano-autó valójában nagyon hasonlított a jól ismert négykerekű versenytársakra, míg a japán jármű egy csontra emlékeztetett, a németek pedig egy szélmalomhoz hasonló struktúrával álltak fel a startvonalhoz. A Bázeli Egyetem sikeres konstrukciója a légpárnás járművek elvét követte. A lapos molekula négy széngyűrűből állt, Y-alakzatban elrendezve. A struktúra motorját három szénatom alkotta, és egy metil-csoportot használtak első légterelőként. A bázeli nano-tudósok azonban nem kifejezetten a miniatűr autóversenyen való részvételre fejlesztették ki ezt a molekulát: a svájci csapat által folytatott kutatás során a svájci Nano Dragster szerves napelemek celláinak egyik alkotóelemeként funkcionál.


Iratkozzon fel „A vákuum világa" hírlevélre!
Iratkozzon fel most, és mindig rendelkezzen naprakész ismeretekkel a vákuum világának legújabb lenyűgöző híreiről.

FELIRATKOZÁS