Солитоны помогут "завести" молекулярные моторы

Ученые из университета Огайо, США, обнаружили новые квантовомеханические свойства экзотических частиц, называемых солитонами. По результатам нового исследования, солитоны могут использоваться для создания двигателей в молекулярной электронике и приводить в действие искусственные мускулы.

С 1980-ых годов ученым известно, что солитоны могут переносить электрический заряд, распространяясь в определенных органических полимерах. Солитон представляет собой электрон, окруженный фононами. В результате нового исследования было установлено, что электрон в солитоне может находиться в различных энергических состояниях, точно так же как электрон в атоме водорода. Эти новые квантовые свойства солитона существенно влияют на процесс переноса заряда на молекулярном уровне в органических веществах, таких как проводящие полимеры.

Ученые обратили особое внимание на полимеры, состоящие из длинных и тонких цепей молекул. Эти крошечные цепи фактически являются одномерными, что существенно меняет их физические свойства.

Проф. Джу Ли (Ju Li) и его коллеги создали математическую модель распространения солитонов по цепи органического полимера полиацетилена. В основе их работы лежит модель Су-Шриффера-Хигера (Su-Schrieffer-Heeger, SSH), разработанная в 1979 году. Новое исследование дополнило модель SSH расчетами гибкости цепи полимера, а так же взаимодействий между электронами.

Поскольку цепи полимера имеют тенденцию сгибаться и скручиваться при прохождении по ним солитонов, ученые считают, что солитоны могут использоваться для приведения в действие искусственных мускулов роботов. Мускулы, изготовленные из органических полимеров, будут сгибаться в ответ на оптическое или электрохимическое возбуждение. На этой основе можно будет также создать различные устройства для людей с ограниченной подвижностью.

Новое открытие, несомненно, окажет влияние и на развитие молекулярной электроники. В устройствах, сделанных из отдельных молекул, солитоны могут использоваться в качестве молекулярных двигателей.

#gallery#

Недавно ученые Национальной лаборатории Лос-Аламоса совместно с зарубежными коллегами впервые получили экспериментальные доказательства существования солитонов в твердом теле. Открытие имеет важное значение для физики твердого тела и, в частности, для изучения свойств урана. Кроме того, оно поможет объяснить роль солитонов в разрушении химических связей в биологических процессах.