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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 2017-11-20 14:01:04             
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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。

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

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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