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양자세계의 회전자(Rotor),1950년대 리챠드 파인만의 비젼을 현실화.
단 하나의 전자가 회전자를 움직인다.

세계에서 가장 작은 모터
로터와 홀더는 함쳐서 단지 16개의 원자로 구성

양자 세계의 회전자(Rotor)
연구원들은 총 16개의 원자로 구성된 모터를 설계했다. 현재 세계에서 가장 작은 모터이다.
구조는 단단한 몸통 분자와 그 위에 놓인 아세틸렌-로터(Acetylen-Rotor)가 열 또는 전기에 의해 구동된다. 크기가 작기 때문에 모터를 실제로 필요한 문턱 에너지(Threshold, 역치) 아래로 돌아가게 하기 위한 양자 터널도 있다.

▲ 세계에서 가장 작은 모터의 모습이다. 기본으로 12개의 원자, 로터로 4개 원자로 구성 © EMPA

나노-자동차, 분자 잠수함 또는 단 하나의 분자로 만들어진 소형 로터 등 나노 모터는 분자 영역의 움직임을 제어하고 특수 응용 분야에 사용할 수 있는 완전히 새로운 가능성을 열어준다.
그들은 물리학자 리차드 파인만(Richard Feynman)의 비전을 현실화 시켰다.
파인만은 1950년대 초에 기계, 모터 및 기타 기술 구성 요소가 언젠가 가장 작은 규모로 축소될 수 있다고 가정했다.

로터의 경우 4개의 원자, 홀더는 12개의 원자

스위스 연방 재료 시험 및 연구소(Empa)의 사무엘 스톨즈(Samuel Stolz) 주변 연구원들은 현재 가장 작은 나노 모터를 설계했다. 고정된 하부 구조를 갖는 회전 가능한 회전자는 크기가 나노 미터보다 작으며, 전체가 단지 16개의 원자를 포함하고 있다.
회전 불가능한 고정자는 3개의 팔라듐, 6개의 갈륨 및 다시 3개의 팔라듐 원자로 구성된 3층 타워로 구성된다.

회전자는 아세틸렌 분자(C2H2)를 형성하며, 이는 3개의 팔라듐 원자 위에 위치한다.
약간 비대칭인 베이스의 분자 상호 작용으로 인해 이 로터는 한 방향으로 회전할 때 다른 방향보다 적은 에너지를 필요로 한다. 이는 선호하는 회전 방향을 지정한다.
Stolz의 동료 올리버 그뢰닝(Oliver Gröning)은 “모터의 회전 정확도는 99%로 다른 유사한 분자 모터와 구별된다”고 말했다.

▲ 세 가지 다른 회전 상태에서 래스터(Raster) 터널 이미지(위)와 아세틸렌 로터 다이어그램. © EMPA

단 하나의 전자가 회전자를 움직인다.

나노 모터는 열에너지 또는 전기 에너지에 의해 구동된다.
로터는 최대 17켈빈(K) 까지 따뜻해지면 움직이기 시작한다.
실온에서는 초당 수백만 번 회전한다. 스캐닝 ​​터널링 현미경의 끝부분에 작은 전류가 흐를 때도 회전한다. 한 전자는 로터를 1/6 바퀴 회전시키기에 충분하다.

그러나 나노 모터가 너무 많은 에너지를 얻는 경우, 회전 운동의 방향은 임의 회전으로 변경된다. 많은 양의 에너지로 인해 한 방향으로의 회전이 다른 방향보다 약간 더 밀어 움직이는 것은 중요하지 않다.

양자 터널링으로 시작 문턱 에너지(Threshold) 극복

그러나 실제로는 안되지만 나노 모터가 움직이는 체제는 여전히 존재한다.
연구원들이 관찰 한 바와 같이, 로터는 이미 일정하고 안정적인 주파수로 실제 임계치 17켈빈 또는 30mV(밀리볼트) 미만으로 회전하고 있다.
그런데 왜? 이러한 조건에서 에너지 공급은 실제로 시작 저항을 극복하기에 충분하지 않을까.

이 퍼즐의 해결책은 양자 세계다.
크기가 매우 작기 때문에 이 나노 모터는 고전 물리 법칙뿐만 아니라 양자 물리 법칙도 적용되는 영역으로 이동한다. 그리고 규칙에 따르면 입자는 장애물을 통과해야 한다.
고전적인 의미의 에너지가 충분하지 않더라도 장애물을 극복해야 한다.

이것은 양자 세계에서 입자의 위치가 확률로 설명되기 때문에 가능하다.
입자가 장벽을 넘어설 확률이 항상 있기 때문에, 비 구동 운동도 가능하다.
스톨츠와 그의 팀은 “작은 크기로 인해 우리의 로터는 잘 알려진 고전 물리 세계와 예측할 수없는 양자 터널 세계 사이의 역치(Threshold, 문지방) 아래로 떨어진다”고 말했다.

                                    <세계에서 가장 작은 모터가 움직이는 모습 © Empa>

터널은 에너지 비용이 들까

그러나 이 양자 조건하에서 나노 모터는 한 방향으로 만 99% 회전한다.
이것은 이 양자 현상이 에너지를 소비하지 않는다는 터널링에 대한 일반적인 가정과 모순된다. "터널링 중에 에너지가 손실되지 않으면 모터의 회전 방향이 완전히 일치해야 한다."라고 Gröning은 말한다. "모터가 한 방향으로 거의 독점적으로 계속 회전한다는 사실은 터널이 움직일 때 에너지 손실이 있음을 나타낸다."

이 나노 모터는 터널링 과정에서 에너지 흐름과 프로세스를 관찰 할 수있는 기회를 열어준다. 따라서 새로운 구조는 단순한 분자 애호가를 위한 장난감 이상이다.
Gröning은 “엔진을 통해 양자 터널 공정에서 에너지 소산의 프로세스와 이유를 조사할 수있게 되었다”고 설명했다.

(Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020; doi:
10.1073/pnas.1918654117)
출처: Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) 

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