Винт Архимеда размером с молекулу: физики вращением усилили ток в 100 раз

Международная команда физиков создала молекулярную машину, работающую по принципу винта Архимеда — — одного из древнейших известных механизмов. Спиральную молекулу раскручивает электрический ток, а когда вращение достигает определенной скорости, сила тока, проходящего через нее, скачкообразно возрастает в 100 раз. Результаты исследования опубликовал журнал Nature.

В работе приняли участие Копенгагенский университет, Институт Вейцмана в Израиле, Аугсбургский университет в Германии, Институт Нильса Бора и Хуачжунский университет науки и технологий в Китае. Каждая команда отвечала за свою часть: синтез молекулы, измерения или квантовые расчёты.

От водяного насоса до молекулы

Винт Архимеда — это спиральная лопасть внутри цилиндра. Если её вращать, она поднимает воду снизу вверх. Такие устройства до сих пор используют для перекачки воды и сыпучих материалов, а появились они более двух тысяч лет назад. В новой машине принцип работает наоборот: вместо воды через спиральную структуру движутся электроны, и именно они заставляют её вращаться. Проходя через молекулу, электроны передают ей вращательный импульс, примерно так же, как ветер вращает лопасти ветряной мельницы, объясняют авторы.

Направление вращения определяется «резьбой» молекулы: точно так же, как винт с правой или левой резьбой закручивается в разные стороны. Если изменить полярность напряжения, молекула начинает вращаться в противоположном направлении, отмечает Nanowerk.

Спираль между двумя золотыми остриями

Сердце машины — молекула геликену. Она состоит из ароматических колец, соединенных таким образом, что вся конструкция закручивается в спираль, похожую на пружину. Эту молекулу размером всего в несколько нанометров специально для исследования синтезировала команда Михаэля Питтелкова из Копенгагенского университета. С помощью атомов серы она прикрепляется к золотым поверхностям.

В Институте Вейцмана группа Орена Таля и Анила Кумара Сингха натягивала отдельные молекулы между двумя атомно-тонкими золотыми остриями. Изменяя расстояние между ними, физики растягивали или сжимали молекулярную «пружину» и таким образом изменяли напряжение, при котором начиналось усиление тока, пишет Bioengineer.

Почему ток увеличивается в 100 раз

Самым неожиданным оказался электрический эффект: как только молекула начинала двигаться, ток резко возрастал. Чтобы понять, почему, аугсбургская группа запустила квантово-механические симуляции на суперкомпьютере LiCCA. Расчеты показали, что проводимость молекулы, то есть то, насколько легко через неё проходят электроны, сильно зависит от угла поворота и при вращении может увеличиться на два порядка.

То есть электроны не движутся «быстрее» в буквальном смысле: вращение открывает молекуле конфигурации, в которых сопротивление значительно меньше, поэтому при том же напряжении через неё проходит больше заряда. Теоретики из Копенгагена и Уханя построили упрощённую модель, которая воспроизвела и вращение, и скачок тока. Модель также предполагает, что выше определённого порогового напряжения пошаговые движения переходят в непрерывное вращение.

Чем это отличается от предыдущих двигателей

Молекулярные двигатели, работающие на электричестве, существуют с 2011 года. Тогда химики из Университета Тафтса продемонстрировали мотор шириной в один нанометр: молекулу на медной поверхности вращали с помощью заряда, подаваемого с острие сканирующего туннельного микроскопа, причем он работал при температуре около 5 кельвинов. Однако такие моторы были закреплены лишь с одной стороны, а с другой лишь неплотно соприкасались с острием микроскопа.

Новая машина впервые прочно соединена с двумя металлическими электродами и имеет управляемое направление вращения.Для сравнения: большинство микро- и нанороботов приводится в движение не электрическим током, а внешним полем: так, например, работают нанороботы, очищающие носовые пазухи.

Тогда Нобелевскую премию по химии присудили Жан-Пьеру Соважу, Фрейзеру Стоддарту и Бену Феринзи за разработку и синтез молекулярных машин. С тех пор научились питать их светом, химическими реакциями и электрическим током, но управлять таким движением в условиях стабильного электрического контакта до сих пор удавалось плохо.

Пока что это лишь лабораторный прототип

Авторы видят применение в молекулярной электронике, спинтронике (электронике, использующей спин — магнитное свойство электрона) и микрофлюидных системах для управления жидкостями на микроуровне. Подобные миниатюрные механизмы уже ищут и для медицины: например, крошечный робот-спинер удаляет тромбы в сосудах, хотя он значительно больше и работает совсем по-другому.

Впрочем, речь идет об одной молекуле, зажатой между золотыми остриями в лабораторных условиях. Как мотор будет вести себя в других режимах и можно ли встроить его в реальные устройства, ещё предстоит выяснить. Эта работа продолжает предыдущие исследования той же команды: осенью 2025 года она описывала, как растяжение и сжатие геликеновых «пружин» изменяют их проводимость.

Источник: Аугсбургский университет