Jak małe może być urządzenie, które potrafi chodzić?

A jak już potrafi, to czy będzie robić to dobrze? Np. czy będzie umiało utrzymywać zadany kierunek?

Wiadomo, że z utrzymywaniem kierunku ludzie pozbawieni możliwości jego korekcji (za pomocą zmysłów wzroku, słuchu, zapachu) radzą sobie bardzo słabo. Wystarczy przypomnieć niezliczone historie błądzenia we mgle czy eksperyment, w którym przed ludźmi z zasłoniętymi oczami postawiono zadanie przejścia na wprost przez plac Św. Marka w Wenecji i nie znalazł się nikt, komu by się to udało.

Ludwig Bartels, http://research.chem.ucr.edu/groups/bartels/

Krocząca cząsteczka 9,10-ditioacetyloantracenu (wizualizacja)

Wróćmy do odpowiedzi na postawione pytania. Najmniejszym obiektem, który potrafi chodzić i to idealnie po prostej, jest cząsteczka 9,10-ditioacetyloantracenu umieszczona na idealnie regularnej miedzianej powierzchni (zob. źródło). Nazwa tej cząsteczki może wśród niechemików budzić respekt, ale jest to związek o stosunkowo prostej budowie. Antracen składa się z trzech pierścieni benzenowych ułożonych jeden za drugim. Wykazuje stosunkowo wysoką reaktywność w pozycjach 9 i 10, czyli w „wolnych rogach” środkowego pierścienia. Po dołączeniu w tych miejscach grupy tioacetylowej (-S-CHO) otrzymuje się cząsteczkę, o której mowa.

Autorzy pracy porównują zachowanie się tej cząsteczki na powierzchni miedzi z ludzkim chodem, ale bardziej przypomina ono dreptanie kaczuszki. Środkowy pierścień to korpus, do którego przymocowane są nóżki. Pozostałe dwa pierścienie to kuperek i dziobek, które są w równym stopniu wygięte ku górze, natomiast najniżej znajdują się atomy siarki (tak przynajmniej wygląda ta cząsteczka położona na powierzchni miedzi, co można stwierdzić za pomocą mikroskopu skaningowego).

Cząsteczka chodzi na atomach siarki. Odległość pomiędzy nimi odpowiada dołkom pomiędzy atomami miedzi w co czwartym rzędzie (atomy miedzi są ułożone tak, że linie wyznaczone przez nie biegną w trzech kierunkach). Dołki te są przesunięte względem linii prostopadłej do linii atomów o połowę minimalnej odległości między atomami miedzi. Z jednej strony energetycznie korzystne jest znalezienie się atomów siarki w tych dołkach, z drugiej strony antracen jest wtedy trochę przekręcony względem linii atomowych, a „chciałby” ułożyć się wzdłuż. W rezultacie, w wyniku termicznej dyfuzji, przy niezbyt wysokiej temperaturze cząsteczka przenosi jeden z atomów siarki z jednego dołka do następnego (albo poprzedniego). Cząsteczka chodzi więc dokładnie jak kaczka, ale tylko wzdłuż jednego z trzech wyróżnionych kierunków.

Autorzy prześledzili do 10000 sukcesywnych kroków i nie stwierdzili zmiany kierunku.

Opisywane zachowanie jest ciekawe samo w sobie, ale może przynieść praktyczne zastosowania. Np. umożliwić konstrukcję nanoabakusów, które zostały zaproponowane dekadę temu jako alternatywa dla obecnie stosowanych pamięci komputerowych. W oryginalnym pomyśle cząsteczki miały się poruszać po powierzchni wzdłuż czegoś w rodzaju szyn i nigdy nie udało się tego praktycznie zrealizować. W opisywanym przypadku szyny nie są potrzebne. Wystarczają miedziane kocie łby.