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.