Искусственные броуновские моторы: управление транспортом на наномасштабе

В системах с нарушением пространственной или динамической симметрии броуновское движение в сочетании с внешними входными сигналами без смещения — как детерминированными, так и случайными — может способствовать направленному движению частиц на субмикронных масштабах. В таких случаях говорят о «броуновских моторах». В данном обзоре конструктивная роль броуновского движения рассматривается на примере различных физических и технологических систем, созданных по образцу клеточного молекулярного аппарата. Обсуждаются принципы действия и характеристики стилизованных устройств, демонстрирующие, как флуктуации — тепловые или внешние — могут использоваться для управления диффузионным транспортом частиц. Рассмотрены последние экспериментальные подтверждения этой концепции, уделено особое внимание транспорту в искусственных, то есть небиологических, нанопорах, литографических треках и оптических ловушках, где впервые были измерены токи отдельных частиц. Значительное внимание уделено двумерным и трёхмерным устройствам, содержащим множество взаимодействующих частиц одного или нескольких типов; для этого класса искусственных моторов выпрямление шума обусловлено также взаимодействием броуновского движения частиц с геометрическими ограничениями. Недавно были успешно реализованы селективное управление и оптимизация транспорта взаимодействующих коллоидных частиц и магнитных вихрей, что привело к созданию нового поколения представленных здесь микрофлюидных и сверхпроводящих устройств. В последнее время данная область обогатилась впечатляющими экспериментальными достижениями в создании искусственных броуновских моторов, работающих даже в квантовой области за счёт использования квантового броуновского движения. К смежным направлениям относятся исследования транспорта, assisted шумом, других степеней свободы, таких как заряд, спин или даже теплота, а также сборка химически синтезированных молекулярных моторов. Обзор завершается обсуждением перспективных направлений и потенциальных новых применений.