Dowodem jest artykuł zamieszczony w Nature, którego autorzy opracowali silnik molekularny wykorzystujący przepływ elektronów do wprawiania w ruch spiralnej cząsteczki. Co zaskakujące, jej obrót może zwiększać natężenie przepływającego prądu nawet 100 razy. To z kolei oznacza potencjalnie nowe możliwości dla rozwoju elektroniki molekularnej i tworzenia urządzeń o rozmiarach zaledwie kilku nanometrów.
Czytaj też: Elektronika opleciona ludzkimi komórkami. Naukowcy zaczęli podkradać energię sercu
Mówiąc dokładniej, mędzynarodowy zespół badawczy stworzył układ, w którym prąd elektryczny napędza obrotowy ruch pojedynczej cząsteczki. To podejście inspirowane tzw. śrubą Archimedesa znaną od ponad dwóch tysięcy lat. To starożytne urządzenie składające się ze spiralnej powierzchni umieszczonej wewnątrz cylindra. Jej obracanie umożliwia transport wody lub innych materiałów na wyższy poziom. W nowym wydaniu podobna geometria pojawia się w skali pojedynczej cząsteczki, ale zamiast mechanicznego napędu wykorzystano oddziaływania związane z przepływem elektronów.
Centralnym elementem urządzenia jest specjalnie przygotowana cząsteczka z grupy helisenów, której przestrzenna budowa przypomina skręconą spiralę. Zespół kierowany przez Michaela Pittelkowa z Uniwersytetu Kopenhaskiego opracował jej odpowiednio zmodyfikowaną wersję. Cząsteczka ma zaledwie kilka nanometrów i może łączyć się z powierzchniami złota za pośrednictwem atomów siarki.
Badacze z Izraela umieścili pojedyncze cząsteczki pomiędzy dwiema niezwykle cienkimi złotymi elektrodami. Dzięki temu mogli przepuszczać przez nie prąd i obserwować, jak zachowuje się molekularny mechanizm. Pod wpływem przyłożonego napięcia elektrony przepływające przez spiralną strukturę przekazują jej moment pędu, wywołując ruch obrotowy. Kierunek rotacji nie jest przypadkowy: zależy między innymi od przestrzennej budowy cząsteczki oraz polaryzacji napięcia.
Naukowcy wykazali, że ruch może przebiegać w określonym kierunku z pełną, stuprocentową preferencją kierunkową. Co więcej, odwrócenie polaryzacji napięcia pozwala zmienić kierunek obrotu. Oznacza to, iż silnikiem można sterować elektrycznie, bez konieczności fizycznego manipulowania jego elementami. Najbardziej zaskakującym rezultatem eksperymentu okazał się wpływ ruchu cząsteczki na jej właściwości elektryczne. Kiedy molekularny silnik zaczyna się obracać, przepływający prąd może wzrosnąć nawet o dwa rzędy wielkości, czyli około 100 razy.
Czytaj też: Silnik przestał wyglądać jak silnik. Ten ma kilka milimetrów grubości i możesz go wszyć w ubranie
Aby wyjaśnić to zjawisko, naukowcy przeprowadzili symulacje kwantowo-mechaniczne z wykorzystaniem superkomputera LiCCA. Obliczenia wykazały, iż zdolność cząsteczki do przewodzenia prądu zależy od jej kąta obrotu. Podczas ruchu uzyskuje ona konfiguracje przestrzenne, w których elektrony mogą przepływać znacznie łatwiej niż w stanie spoczynku.
W praktyce oznacza to, że ruch mechaniczny nie tylko wynika z przepływu prądu, lecz również może wyraźnie zmieniać jego natężenie. Powstaje więc układ, w którym procesy elektryczne i mechaniczne wzajemnie na siebie oddziałują. To potencjalnie przełomowy rezultat dla rozwoju elektroniki molekularnej, spintroniki oraz przyszłych systemów zdolnych do manipulowania płynami w nanoskali. Powinien również ujawnić to, jak budować sztuczne maszyny inspirowane mechanizmami występującymi w żywych komórkach. Na razie jest to jednak demonstracja laboratoryjna, a nie gotowy komponent do zastosowań przemysłowych.
Źródło: Nature
