Μοριακός «κοχλίας του Αρχιμήδη» περιστρέφεται με ρεύμα και αλλάζει φορά με την πολικότητα

Επιστήμονες ανέπτυξαν μοριακό κινητήρα που περιστρέφεται όταν διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα και αντιστρέφει τη φορά του με αλλαγή της πολικότητας. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Nature, με υλικό από το Πανεπιστήμιο του Άουγκσμπουργκ.

Το σχέδιο αντλεί έμπνευση από τον κοχλία του Αρχιμήδη: οι ερευνητές μετέφεραν την αρχή της περιστρεφόμενης έλικας σε μοριακή κλίμακα, ώστε τα ηλεκτρόνια να διαπερνούν ένα σπειροειδές μόριο και να το θέτουν σε κίνηση. Ο στόχος εντάσσεται στο πεδίο των μοριακών μηχανών, που αναπτύσσεται τις τελευταίες δεκαετίες.

Η κεντρική «έλικα» σχεδιάστηκε στην ομάδα του Prof. Michael Pittelkow στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης και προσδένεται σε χρυσές επιφάνειες μέσω ατόμων θείου. Στο Weizmann Institute of Science, η ομάδα των Prof. Oren Tal και Dr. Anil Kumar Singh τοποθέτησε μεμονωμένα μόρια ανάμεσα σε δύο χρυσές ακίδες ατομικής κλίμακας, ρυθμίζοντας με ακρίβεια την απόσταση ώστε να τεντώνουν ή να συμπιέζουν τη «βίδα».

Με την εφαρμογή τάσης, οι μετρήσεις έδειξαν ότι το μόριο άρχισε να περιστρέφεται. Η αλλαγή της πολικότητας αντέστρεφε τη φορά. Πρόκειται για την πρώτη επίδειξη μοριακού κινητήρα που κινείται από ηλεκτρικό ρεύμα, είναι σταθερά συνδεδεμένος σε δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια και περιστρέφεται ελεγχόμενα ως προς τη διεύθυνση.

Ο μηχανισμός προκύπτει από τη μεταφορά στροφορμής των ηλεκτρονίων στη σπειροειδή δομή, ανάλογα με τη «χειρομορφία» της έλικας. Πέρα από ένα όριο τάσης, η κίνηση γίνεται συνεχής. Οι μετρήσεις κατέγραψαν και κάτι ακόμη: κατά την περιστροφή, η αγωγιμότητα αυξάνεται έως και 100 φορές σε σχέση με την ακινησία.

Για να ερμηνευθεί το φαινόμενο, ο Prof. Dr. Fabian Pauly και οι υποψήφιοι διδάκτορες Léon Martin και Yuta Ito στο Πανεπιστήμιο του Άουγκσμπουργκ πραγματοποίησαν κβαντομηχανικές προσομοιώσεις στον υπερυπολογιστή LiCCA. Τα αποτελέσματα συνέδεσαν στενά τη γωνιακή θέση του μορίου με την αγωγιμότητά του, δείχνοντας ότι ορισμένες διατάξεις με την καλύτερη αγωγή είναι ακριβώς εκείνες που το μόριο «αποφεύγει» όταν μένει ακίνητο.

«Το εκπληκτικό είναι ότι ακριβώς οι θέσεις που το μόριο αποφεύγει όταν είναι σε ηρεμία αγωγούν καλύτερα το ρεύμα. Μόνο η περιστροφή καθιστά αυτές τις θέσεις προσβάσιμες», εξηγεί ο Léon Martin.

Με βάση τις προσομοιώσεις, οι θεωρητικοί Per Hedegård (Niels Bohr Institute) και Jing-Tao Lü (Huazhong University of Science and Technology) διαμόρφωσαν ένα απλοποιημένο μοντέλο που αναπαράγει τόσο την περιστροφή όσο και την αύξηση του ρεύματος. Ο συνδυασμός μετρήσεων και θεωρίας αποδείχθηκε κρίσιμος για την κατανόηση του μηχανισμού.

«Στο πείραμα βλέπεις μόνο το ρεύμα. Οι υπολογισμοί μας επιτρέπουν να ρίξουμε μια ματιά σε ό,τι συμβαίνει μέσα στο νανο-επαφή. Μόνο μέσω στενής συνεργασίας πειράματος και θεωρίας, σε πολλές χώρες, λύθηκε το μυστήριο της αύξησης του ρεύματος», λέει ο Yuta Ito.

Οι ερευνητές βλέπουν προοπτικές σε μοριακά ηλεκτρονικά εξαρτήματα και τεχνολογίες σπιντρονικής, καθώς και σε μικρορευστομηχανικά συστήματα. Πέρα από τις εφαρμογές, ο κινητήρας προσφέρει ένα νέο τρόπο μελέτης διεργασιών σε ατομική κλίμακα, δείχνοντας ότι η ελεγχόμενη περιστροφή μπορεί ταυτόχρονα να τροφοδοτείται από και να επηρεάζει τη ροή του ρεύματος.

Η εργασία στο Πανεπιστήμιο του Άουγκσμπουργκ χρηματοδοτήθηκε από τη German Research Foundation (DFG), ενώ υπήρξε στήριξη και από ERC (Horizon 2020), Israel Science Foundation, Minerva Foundation, Villum Foundation, Novo Nordisk Foundation, Independent Research Fund Denmark (DFF), National Key Research and Development Program of China και National Natural Science Foundation of China.

Πηγή: share.google.