Исследователи компании IBM запустили броуновский двигатель, способный приводить в действие наночастицы - «Наука и технологии»

Недавно исследователи из IBM Research провели первую демонстрацию работы реального колебательного броуновского двигателя, способного перемещать наноразмерные частицы вдоль предопределенных путей. Это, в свою очередь, позволит реализовать высокоточные процедуры сортировки этих частиц, использовать новый принцип движения в устройствах типа лаборатория-на-чипе и в других устройствах, предназначенных для исследований в области физики, химии, биологии и т.п.

Вы помните сказку о Золушке, когда ей было нужно рассортировать горох и чечевицу, рассыпанные на полу? Теперь представьте, что то, что надо рассортировать, имеет размеры 60 и 100 нанометров, в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса. Такая процедура уже реализована в виде сложнейших машин, которые слишком большие для того, чтобы их можно было включить в состав лаборатории-на-чипе.

Решение этой и других подобных проблем нам подсказывает сама природа. Для движения крошечных объектов внутри клеток нашего тела используются молекулярные двигатели, которые заставляют эти объекты двигаться и обеспечивают минимальный расход "топлива". Некоторые из типов молекулярных двигателей используют в своих интересах Броуновское движение. Это хаотическое колебательное движение частиц вызвано молекулами воды, которые сталкиваются с этими частицами в случайных местах и в случайные моменты времени. Отметим, что самое правильное описание Броуновского движения в 1905 году дал Альберт Эйнштейн.

Броуновский двигатель преобразовывает случайное Броуновское движение в механическую работу, т.е. хаотическое движение в прямолинейное движение частицы. Для этого используется механическое устройство, напоминающее отвертку с трещоткой, которая позволяет крутить отвертку в одном или в обратном направлении в зависимости от положения переключателя и направления зубцов трещотки.

Колебательные силы, вызываемые броуновским движением, прижимают частицы к зубцам трещотки. Это, с учетом направления зубцов трещотки, приводит к перемещению частиц в одном направлении. Броуновский двигатель сам не производит никакого движения, его устройство лишь препятствует перемещению частиц в обратном направлении.

Трещотка броуновского двигателя была создана при помощи нагретого острого кремниевого наконечника, который использовался для порезки полимерного материала. Такая технология называется тепловой литографией при помощи наконечника сканирующего микроскопа. Отметим, что именно эта технология была использована в 2014 году для создания самой маленькой в мире обложки журнала.