мамкин инженер · наука и техника
Анонсы в Telegram
Инженерия

Архимедов винт вдохновил создание одномолекулярного мотора, работающего на электрическом токе

Учёные создали первый молекулярный мотор, работающий на электрическом токе и управляемый по направлению вращения, вдохновлённый принципом архимедова винта. Эта спиральная молекула может менять проводимость и приводит к новым возможностям в нанотехнологиях и спинтронике.

Молекулярные машины считаются следующим шагом в миниатюризации. Их прообразы есть в живых клетках, где молекулярные моторы преобразуют энергию и создают движение. Учёные десятилетиями пытаются искусственно воспроизвести такие системы. Нобелевская премия по химии 2016 года была присуждена за эти исследования.

Модель родом из древности

Молекулярные моторы, приводимые в действие непосредственно электрическим током, существуют с 2011 года. Однако до сих пор они работали лишь как молекулы на поверхности, управляемые остриём сканирующего туннельного микроскопа.

Для своей новой машины исследователи вдохновились одним из старейших известных человечеству механизмов — архимедовым винтом, который поднимает воду вверх. Принцип архимедова винта был применён на молекулярном уровне. Вместо воды через спиральную структуру течёт поток электронов, приводя её во вращение.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Молекулярный винт между двумя золотыми остриями

В основе машины лежит спиральная молекула, которую специально для этого исследования создала группа профессора Михаэля Питтелькова из Копенгагенского университета. Молекула размером всего в несколько миллионных долей миллиметра может присоединяться к золотым поверхностям через атомы серы.

В Институте науки Вейцмана в Израиле группа под руководством профессора Орена Таля и доктора Анила Кумара Сингха растягивала отдельные молекулы между двумя атомарно тонкими золотыми остриями. Точно регулируя расстояние между электродами, исследователи могли растягивать или сжимать молекулярный винт.

Первый молекулярный мотор с управляемым направлением вращения

Измерения показали, что при подаче напряжения молекула вращается. Направление вращения было однозначным, и его можно было изменить, поменяв полярность напряжения. Таким образом, исследование впервые демонстрирует молекулярный мотор, приводимый в движение током, с управляемым направлением вращения, жёстко закреплённый между двумя металлическими электродами.

Движение создают сами электроны. Протекая через спиральную молекулу, они передают ей угловой момент — примерно так же, как ветер приводит в движение ветряную турбину. Направление задаётся закруткой молекулы, как у винта с правой или левой резьбой. При превышении определённого напряжения это движение переходит в непрерывное вращение.

Расчёты в Аугсбурге раскрыли механизм

Но почему вращающаяся молекула проводит электрический ток заметно лучше неподвижной? Доктор Фабиан Паули и его аспиранты Леон Мартин и Юта Ито с кафедры теоретической физики I Аугсбургского университета изучили этот вопрос с помощью квантово-механического моделирования на суперкомпьютере LiCCA.

Их расчёты показали, что вращение молекулы тесно связано с её проводимостью. Проводимость сильно зависит от угла поворота молекулы и при вращении может возрастать вплоть до двух порядков величины.

«Удивительно, что лучше всего ток проводят именно те положения, которых молекула в покое избегает. Эти положения становятся доступными только благодаря вращению», — объясняет Мартин.

Международное сотрудничество как залог успеха

Опираясь на эти результаты, теоретики Пер Хедегор из Института Нильса Бора в Копенгагене и Цзинь-Тао Лю из Хуачжунского университета науки и технологий в Ухане разработали упрощённую модель, которая успешно воспроизвела наблюдаемые в эксперименте вращение и рост тока.

«В эксперименте виден только ток. Наши расчёты позволяют заглянуть внутрь наноконтакта и увидеть, что там происходит. Загадку роста тока удалось разгадать лишь благодаря тесному сотрудничеству экспериментаторов и теоретиков из нескольких стран», — говорит Ито, аспирант родом из Японии.

Значение для будущих применений

Это открытие может пригодиться для молекулярных электронных компонентов, приложений в спинтронике и микрофлюидных систем. Кроме того, такие миниатюрные машины открывают новые возможности для изучения физических процессов на атомном уровне.

«Мы показали, что электрический ток можно использовать для создания направленного вращения, а это вращение, в свою очередь, управляет током. Это новый принцип работы машин на самом пределе миниатюризации», — поясняет Паули.

Источники

  1. Phys.org
  2. phys.org
  3. nature.com
  4. phys.org
Как вам новость? счётчики появятся, когда отреагирует больше читателей
мамкин инженер · новостиmamkin-engineer.ru