Molekuły i pogoń za prędkością - Wyścigi samochodowe w najmniejszej skali na świecie odbywają się w próżni

Molekuły i pogoń za prędkością - Wyścigi samochodowe w najmniejszej skali na świecie odbywają się w próżni

Nanopojazdy są bardzo małe — składają się z pojedynczej cząsteczki. Taki „samochód wyścigowy” wziął udział w wyścigu kilka tygodni temu we francuskiej Tuluzie, który przeprowadzono w ekstremalnych warunkach: przy bardzo wysokim podciśnieniu oraz temperaturze bliskiej zera bezwzględnego.
03_NanoCar.jpg

Podczas tego wyścigu nie można było usłyszeć dźwięku silników ani zobaczyć niebezpiecznego wyprzedzania. Prędkość też nie była zawrotna — mierzono ją w nanometrach, a nie kilometrach na godzinę. Mimo to rywalizacja między tymi małymi uczestnikami jest niezwykle ekscytująca, ponieważ ma związek ze sterowaniem poszczególnymi cząsteczkami, atomami i cząsteczkami subatomowymi.

Swobodny ruch dzięki podciśnieniu

Tor wyścigowy ma setki nanometrów długości i jest wykonany z czystego złota. A ponadto nanowyścig odbywa się w wyjątkowo niskiej temperaturze. Aby umożliwić kierowanie uczestnikami na torze, należy zminimalizować ruch własny cząsteczek, dlatego miejsce ich przechowywania zostało schłodzone do -269°C przy użyciu ciekłego azotu i helu. W okolicach zera bezwzględnego prawie nic nie porusza się samo z siebie.

Aby zapewnić swobodny ruch pojazdów, na torze nie mogą znajdować się żadne obce atomy. Nawet niewielkie zanieczyszczenie, takie jak cząsteczka tlenu z atmosfery, może wyrzucić nanopojazd z toru. Aby uzyskać takie warunki, rywalizacja odbywa się przy bardzo wysokim podciśnieniu. Dzięki zastosowaniu próżniowych pomp turbomolekularnych i getterowych pomp jonowych zmniejszono ciśnienie do 10-11 mbar.

Atomy jako oznaczenia drogi

Złoty tor jest także dokładnie oczyszczany przed wyścigiem: jego powierzchnię bombarduje się jonami, a następnie podgrzewa, aby była zupełnie płaska. Następnie naukowcy od nanocząsteczek dodają pojedyncze atomy złota, aby oznaczyć trasę pojazdów na tym torze.

Następnym wyzwaniem było umieszczenie nanopojazdów na torze bez ich zniszczenia. W tym celu podgrzano je w komorze przygotowawczej do momentu parowania. Następnie wybrano odpowiedniego kandydata do wyścigu spośród cząsteczek i umieszczono go na powierzchni złotego toru.

Wykrywanie za pomocą przepływu prądu tunelowego

Niewielcy uczestnicy, których wielkość wynosiła tylko jedną stutysięczną średnicy ludzkiego włosa, nie są widoczni pod mikroskopami optycznymi, ponieważ długość fali światła jest zbyt duża. Z tego powodu zespoły naukowców śledzą wyścig, używając skaningowego mikroskopu tunelowego. W tym narzędziu sonda przewodząca prąd elektryczny, której końcówka składa się tylko z jednego atomu, jest przesuwana nad powierzchnią toru po kształcie siatki o odstępach zaledwie kilku nanometrów.

Mimo że końcówka sondy i badany obiekt nigdy się nie stykają, zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, po przyłożeniu niskiego napięcia powstaje przepływ prądu tunelowego. Natężenie tego prądu przepływu zależy w znacznym stopniu od odległości obiektu od sondy. Podczas skanowania złotej folii końcówką steruje się precyzyjnie tak, aby odległość i natężenie przepływu prądu były stałe. Umożliwia to naukowcom utworzenie profilu wysokościowego toru z topograficzną reprezentacją nanopojazdów.

Osiem godzin do mety

W rzeczywistości naukowcy używają sondy nie tylko do obserwacji pojazdów, ale także do sterowania ich ruchem. Ponadto wykorzystują także przepływ prądu tunelowego. W Tuluzie zastosowano tę metodę, aby przenieść kilka pojazdów molekularnych na wyższy poziom energetyczny poprzez dodanie elektronu. Pojazdy natychmiast oddały tę energię i przekształciły ją w ruch. Inne zespoły wykorzystały do przemieszczania pojazdów odpychanie elektrostatyczne elektrod.

Pojazdami można było także sterować mechanicznie za pomocą końcówki sondy, ale w trakcie wyścigu było to dozwolone tylko w nagłych wypadkach. Zwycięski zespół ze Szwajcarii nie musiał stosować takich manipulacji. Ich pojazd Swiss Nano Dragster osiągnął rekordową prędkość dwunastu nanometrów na godzinę, i jako pierwszy przekroczył złotą linię mety po około ośmiu godzinach. Tak jak w przypadku wyścigów w normalnej skali sukces uczczono szampanem.

Firma Busch dostarcza technologię próżniową do instytutów badawczych na całym świecie. Aby ułatwić pracę młodych naukowców i projektantów, firma Busch sponsoruje uniwersytety i studenckie grupy robocze, zapewniając dostęp do technologii próżniowej.


Do budowy miniaturowych pojazdów naukowcy mogli wykorzystać tylko około stu atomów. Nie było jednak dokładnych specyfikacji dotyczących sposobu ich budowy ani wyglądu zewnętrznego.

Wygrywa koncepcja poduszkowca

Nadwozia opracowane przez sześć różnych zespołów naukowców były bardzo różne: nanopojazdy z Francji, USA i opracowane we współpracy amerykańsko-austriackiej przypominały standardowe pojazdy czterokołowe, pojazd japoński miał wygląd kości, a niemiecki zespół ustawił na starcie konstrukcję przypominającą wiatrak. W zwycięskiej konstrukcji z uniwersytetu w Bazylei zastosowano koncepcję poduszkowca. Płaska cząsteczka składała się z czterech pierścieni węglowych ułożonych w kształt litery Y. Silnik konstrukcji, tworzyły trzy atomy węgla, a przedni spojler powstał z grupy metylowej. Jednakże naukowcy od nanotechnologii z Bazylei nie opracowali cząsteczek wyłącznie na potrzeby wyścigu miniaturowych pojazdów: podczas codziennych badań przeprowadzanych przez szwajcarski zespół Swiss Nano Dragster działa jako element organicznych ogniw słonecznych.


Subskrybuj biuletyn „World of Vacuum"!
Subskrybuj teraz, aby otrzymywać najnowsze ciekawe wiadomości z branży urządzeń próżniowych.

SUBSKRYBUJ