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需要提高速度的分子-世界上z*小型的汽車比賽是在真空狀態下進行的
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2017-11-20  閱讀

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納米汽車極其微小,只由一個分子構成。幾周前,此類型“賽車”在法國圖盧茲參加了一場比賽,比賽在超高真空和接近絕對零度這一極端條件下進行。

需要提高速度的分子-世界上z*小型的汽車比賽是在真空狀態下進行的

這場比賽沒有任何嗡嗡叫的發動機和危險的超車操作;而且速度一點也不瘋狂,因為它是以納米測量而不是以公里/小時作為測量單位。盡管如此,這些微小參與者之間的競爭也是難得一見的激烈,因為它涉及到對單個分子、原子和亞原子粒子的控制。

真空助力自由行駛

所用賽場由純金制成,只有數百納米長。而且,納米比賽是在極其嚴寒的條件下進行。為了引導參賽汽車沿著跑道行駛,必須將分子自身的動能減至z*低,為此,使用液氮和氦氣將賽場冷卻到零下 269°C。幾乎沒有什么東西能夠在接近絕對零度的條件下自動移動。

為了使車輛能夠自由行駛,需要將賽場中的異類原子徹底清除干凈。即使是z*小的污染物,例如大氣中的氧氣分子,也能將納米汽車拋出跑道。為了維持這些條件,比賽在超高真空環境下進行。在渦輪增壓器和離子吸氣真空的幫助下,壓力減至 10-11 毫巴。

以原子為路標

黃金賽場在賽前還進行了徹底清洗:先用離子對其表面進行轟擊,然后加熱,以確保跑道平坦。然后,納米科學家們沿著跑道添加各個金原子,標出賽車路線。

接下來的挑戰是將分子汽車放到跑道中,同時確保放置過程中不會毀壞它們。為實現這一目的,將這些分子汽車放在準備室中加熱,直到蒸發掉為止。然后,從這些分子汽車中選擇合適的參賽選手,并隨后將其放到黃金跑道表面。

使用隧道流檢測

這些賽車極其微小,每一輛大約只有一根頭發直徑的十萬分之一那么大,用光學顯微鏡都看不到,因為光波的波長實在太長了。為此,研究小組利用掃描隧道顯微鏡跟蹤比賽情況。在此工具中,導電探針(其尖端只由一個原子組成)在跑道表面上間距只有幾納米的網格形狀中移動。

雖然探針尖端和調查對象從不接觸,但根據量子力學的規則,在施加低電壓時會產生隧道流。隧道流的流量很大程度上取決于調查對象與探針之間的距離。當掃描金 箔時,探針尖端得到精確的控制,使距離和流量始終保持不變。這樣,科學家們即可制作出賽道的高度輪廓,并作出納米汽車的地形標示。

八小時抵達終點

事實上,研究人員不僅可以使用探針來顯示納米汽車,還能控制它們的移動。此外,他們還會利用隧道流。在圖盧茲汽車比賽中,有幾輛納米汽車即利用此方法通過 增加電子將能量提升到一個更高的水平。車輛立即重新釋放此能量并將其轉化為動能。其他比賽小組則是利用電極的靜電斥力向前移動。

此外,還可以利用探針的尖端以機械方式引導車輛到達目的地,但在比賽過程中,只有在非常緊急的情況下才允許這么做。獲勝的瑞士團隊不需要采用這種操控方 法。他們的瑞士納米改裝車 (Swiss Nano Dragster) 速度達到每小時約十二納米,此速度可能突破了紀錄,在約八小時后,它以z*快速度沖過黃金終點線。就像在大型比賽中一樣,成功少不了香檳慶祝。

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