Kvantový motor by mohl pohánět atomy i molekuly. Teoreticky!

- Technologie autor: Ladislav Loukota

Rozvoj nanotechnologie s sebou přináší nové výzvy nejen pro design molekulárních motorů, ale i návrh jejich zdrojů energie. Stejně jako u všech motorů totiž i u těch nejmenších platí, že efektivita pohonu souvisí i s tím, jakou formou je napájen. Nová studie však přišla s tím, že bychom u budoucích nanorobotů mohli možná využívat i obskurních pravidel kvantového světa.

Ilustrační snímek

Ilustrační snímek,zdroj: ThinkStock

Pamlsek pro Schrödingerovu kočku

Pro nás jako bytosti makroskopického světa to možná zní prazvláštně, již po osm desetiletí však kvantoví fyzikové vědí, že naše měření přímo ovlivňuje měřené mikroskopické částice. Tuto prazvláštní povahu kvantového světa ostatně vystihuje i populární příběh Schrödingerovy kočky - tedy modelového příkladu o tom, že částice může být "živá, či mrtvá", dokud se na ni nepodíváme. Do okamžiku našeho uzření se totiž nachází v superpozici obou stavů najednou.

V průběhu let se na tuto kuriózní vlastnost nabalila celá řada ezoterických interpretací v duchu "lžička tu není", redukce oné superpozice stavů jenom na jeden stav lze však vysvětlit poměrně jednoduše. Abychom z cílové mikroskopické částice získali informace o jednom z jejích stavů, musíme jako makroskopické bytosti jejím směrem vyslat jiné mikroskopické částice, například fotony.

Až ty nám mohou do přístrojů (a poté i do sítnice) promítnout klíčové informace. Vtip je v tom, že i samotné vyslané fotony vzhledem k citlivosti titěrných kvantových jevů cílovou částici ovlivňují, a tak i redukují možné naměřené veličiny.

Doposud bylo toto omezení velkým bolehlavem fyziky - v budoucnu však možná půjde o unikátní zdroj velmi efektivního (sub)molekulárního pohonu.

Nová studie týmu Cyrila Elouarda z americké Rochesterské univerzity si totiž posvítila na možnost vytvořit kvantový motor poháněný čistě procesem "měření", respektive "měřícími" částicemi vyslanými k "měřené" částici. Excitovaný cíl se pak v důsledku toho posunuje blíže ke zdroji měření.

Podobný kvantový motor je prozatím čistě hypotetickou ideou, Elouardův tým však zjistil, že by zřejmě bylo velmi výhodné se ji dále zabývat. Pracoval by totiž se skoro stoprocentní efektivitou, tedy vyšší než jiné známé podobné formy pohonu.

"Je to velmi elegantní myšlenka," řekl ke studii David Herrera Martí, fyzik společnosti ProbaYes pro server Science Magazine. "Můžete si představit roj malých molekulárních strojů, které jsou poháněny laserem velice efektivně." Druhý autor studie Andrew Jordan k možnému užití dodává, že motor by vzdor své efektivitě nebyl všemocný. "Neutáhli byste s ním lokomotivu, ale mohli byste rozpohybovat atom nebo molekulu."

Kvantový motor by tak snad jednou mohl řešit problémy s napájením molekulárních strojů.

Energie sbalená na cysty

I když totiž již dnes umíme navrhovat a dokonce "ve zkumavkách" již testovat titěrné molekulární nanomašinky, energetická krize se nevyhýbá ani nejmenším vynálezům lidstva. Doposud tak byly schopnosti nanomotorů do značné míry omezené - vědci sice brilantní manipulací zvládají vytvořit jednoduché molekulární motory, uskladnit však do nich palivo generující pohyb (či jiné aktivity) je ale zcela odlišnou výzvou.

Dosavadní formy dodání této energie tak sázely nejčastěji na "externí napájení".

Například tým Jamese Toura z Rice University tak byl s to vytvořit molekulární "nanoauta" a "nanoponorky", u nichž je nanomotor také poháněn světelným zářením. Zní to fantasticky a Tourův tým touto metodou mohl přimět molekulární motory k likvidaci nádorových buněk ve zkumavce - případná lékařská aplikace nápadu však (mimo jiné) naráží na špatnou propustnost lidského těla světelnému záření. Dokud si neotevřete postižené místo a neposvítíte si na něj, podobné molekulární nanostroje budou jaksi bez zdroje energie inertní.

A pokud budou lékaři s to nádoru dosáhnout i pomocí běžného skalpelu, nepotřebují na likvidaci nádoru nanotechnologie. Vnější pohybování nanokapslemi navíc dovede medicína již dnes pomocí magnetických polí.

Jiný přístup z druhé strany barikády představili na jaře týmy Michiganské univerzity a Univerzity v Bonnu pod vedením Juliána Valera. Těm se již podařilo sbalit zdroj energie přímo do nanostroje vytvořeného z RNA a DNA molekul. Jejich molekulární jednokolka o velikosti 30 nanometrů je totiž poháněna syntézou RNA řetězce, která za sebou zanechává syntetizované vlákno a pohání tak miniaturní rotační motor.

Výsledek se obejde bez vnějšího napájení, dovede však "na jednu nádrž" ujet jen 240 nanometrů a jak mu "dotankovat", zatím nevíme. Jeho rychlost je navíc doslova hlemýždí - jediné otočení kola kolem své osy zabere 10 minut.

Ani touto metodou tedy zatím nečekejte doručování léčiv přímo k postiženým buňkám.

Faktem samozřejmě je, že kdyby měli vědci k dispozici funkční nanotechnologie již dnes, nemuseli by je dále zkoumat. Časem tedy na efektivní pohon nanomotorů snad věda přijde - kdy se tak stane a jestli nám k tomu však pomůžou lasery, syntéza RNA či snad kvantové motory, to je prozatím stejně neznámé, jako stav Schrödingerovy kočky před otevřením krabice. 

Studie byla zveřejněna v Physical Review Letters.

Tagy: nanotechnologie kvantová fyzika věda a technika věda a poznání