Un motor molecular inspirat de șurubul lui Arhimede, acționat de curent electric
O echipă internațională de fizicieni a aplicat la nivel molecular principiul șurubului lui Arhimede, un dispozitiv folosit din antichitate pentru a transporta apa în sus. În noul mecanism, electronii curg printr-o structură elicoidală și o pun în rotație, relatează un studiu publicat în revista Nature.
Mașinile moleculare sunt considerate următorul pas în miniaturizare, iar modele ale acestora există în celulele vii, unde motoarele moleculare convertesc energia și generează mișcare. Cercetătorii lucrează de decenii pentru a replica artificial astfel de sisteme, iar în 2016 cercetările din acest domeniu au fost recompensate cu Premiul Nobel pentru Chimie.
Un șurub molecular între două vârfuri de aur
Motoarele moleculare acționate direct de curent electric există din 2011, însă până acum au funcționat doar ca molecule aflate pe o suprafață, acționate de vârful unui microscop cu efect tunel. Pentru noua mașină, cercetătorii s-au inspirat din șurubul lui Arhimede, aplicând principiul acestuia la scară moleculară: în loc de apă, electronii curg printr-o structură elicoidală și o fac să se rotească.
Nucleul mașinii este o moleculă elicoidală, produsă special pentru studiu de echipa profesorului Michael Pittelkow de la Universitatea din Copenhaga. Molecula, care măsoară doar câteva milionimi de milimetru, poate fi legată de suprafețe de aur prin atomi de sulf. La Institutul de Științe Weizmann din Israel, echipa condusă de profesorul Oren Tal și dr. Anil Kumar Singh a întins molecule individuale între două vârfuri de aur de finețe atomică. Ajustând cu precizie distanța dintre electrozi, cercetătorii au putut întinde sau comprima șurubul molecular.
Primul motor molecular cu sens de rotație controlabil
Măsurătorile au arătat că molecula se rotește atunci când se aplică o tensiune. Sensul de rotație a fost lipsit de ambiguitate și a putut fi inversat prin schimbarea polarității tensiunii. Studiul demonstrează astfel, pentru prima dată, un motor molecular acționat de curent, cu sens de rotație controlabil, fixat ferm de doi electrozi metalici.
Mișcarea este determinată de electronii înșiși. Pe măsură ce aceștia curg prin molecula elicoidală, îi transferă acesteia moment cinetic, asemănător modului în care vântul pune în mișcare o turbină eoliană. Sensul este dat de înfășurarea moleculei, la fel ca în cazul unui șurub cu filet dreapta sau stânga. Peste o anumită tensiune, această mișcare se transformă într-o rotație continuă.
Calculele de la Augsburg explică mecanismul
De ce conduce o moleculă aflată în rotație electricitatea mult mai bine decât una staționară? Dr. Fabian Pauly și doctoranzii săi Léon Martin și Yuta Ito, de la Catedra de Fizică Teoretică I a Universității din Augsburg, au investigat această întrebare prin simulări mecanice cuantice pe supercomputerul LiCCA. Calculele lor au arătat că rotația moleculei este strâns legată de conductivitatea acesteia. Conductivitatea depinde puternic de unghiul de rotație al moleculei și poate crește de până la două ordine de mărime în timpul rotației.
„Lucrul surprinzător este că tocmai pozițiile pe care molecula le evită în repaus conduc cel mai bine electricitatea. Doar rotația face aceste poziții accesibile”, explică Martin.
O colaborare internațională
Pornind de la aceste rezultate, partenerii teoreticieni Per Hedegård, de la Institutul Niels Bohr din Copenhaga, și Jing-Tao Lü, de la Universitatea de Știință și Tehnologie Huazhong din Wuhan, au dezvoltat un model simplificat care a reprodus cu succes rotația observată experimental și creșterea curentului.
„În experiment vezi doar curentul. Calculele noastre ne permit să întrezărim ce se întâmplă în interiorul nanocontactului. Doar prin colaborarea strânsă dintre experiment și teorie, în mai multe țări, a putut fi rezolvat misterul creșterii curentului”, spune Ito, doctorand originar din Japonia.
Implicații pentru aplicațiile viitoare
Descoperirea are potențial pentru componente electronice moleculare, aplicații în spintronică și sisteme microfluidice. De asemenea, astfel de mașini miniaturale oferă noi oportunități pentru cercetarea proceselor fizice la scară atomică.
„Am arătat că un curent electric poate fi folosit pentru a genera o rotație direcționată și că această rotație, la rândul ei, controlează curentul. Este un principiu de funcționare nou pentru mașini aflate la chiar limitele miniaturizării”, explică Pauly.
