Источник фото: sciencedaily.com
Учёные создали необычный молекулярный мотор, который начинает вращаться под действием электрического тока. За основу устройства взята идея одного из древнейших изобретений человечества. При смене полярности напряжения крошечная машина способна менять направление вращения. По данным ScienceDaily, это важный шаг к созданию рабочих механизмов на предельно малом масштабе.
Молекулярные машины считаются перспективным направлением миниатюризации. В живой природе подобные моторы уже работают внутри клеток, используя энергию для движения. Учёные много лет пытались воспроизвести такие биологические системы искусственно, и эти усилия в 2016 году отметили Нобелевской премией по химии.
Первые молекулярные моторы, работающие напрямую от электричества, появились ещё в 2011 году. Однако те конструкции размещались на поверхностях и приводились в движение остриём сканирующего туннельного микроскопа. Новая разработка устроена иначе: её принцип позаимствован у архимедова винта, который исторически применяли для подъёма воды вверх по спирали.
Исследователи перенесли этот принцип на молекулярный уровень. Вместо воды через спиралевидную молекулу проходят электроны, и при протекании тока она начинает вращаться. Центральный элемент мотора — спиральная молекула, созданная группой профессора Михаэля Питтелькова из Копенгагенского университета. Её размер составляет всего несколько миллионных долей миллиметра, а крепится она к золотым поверхностям через атомы серы.
Специалисты из Научного института Вейцмана в Израиле под руководством профессора Орена Таля и доктора Анила Кумара Сингха разместили отдельные молекулы между двумя золотыми остриями, заточенными до атомных размеров. Меняя расстояние между электродами, команда растягивала или сжимала молекулярный винт. При подаче напряжения измерения показали, что молекула начинает вращаться, а смена полярности меняет направление вращения. Это первый пример молекулярного мотора, который приводится в движение током, жёстко связан с двумя металлическими электродами и вращается в управляемом направлении.
Движущей силой служат электроны, проходящие сквозь спиральную молекулу: они передают ей момент импульса, и она поворачивается. Форма спирали определяет отклик на поток, как различие между правой и левой резьбой винта. При превышении порогового напряжения движение становится непрерывным. Кроме того, вращающаяся молекула проводила ток заметно лучше неподвижной. Расчёты физиков из Аугсбургского университета под руководством профессора Фабиана Паули показали, что проводимость меняется в зависимости от угла молекулы и во время вращения возрастает вплоть до ста раз. Как отметил Леон Мартин, лучше всего проводят ток именно те положения, которых молекула избегает в покое, и доступными их делает только вращение.