Молекулярные машины являются важным шагом миниатюризации. Их прообразы работают в живых клетках, где молекулярные моторы превращают энергию в движение, а за создание искусственных аналогов в 2016 году была присуждена Нобелевская премия по химии. Моторы, которые питает непосредственно электрический ток, существуют с 2011 года, но до сих пор это были молекулы на поверхности, приводимые в движение иглой сканирующего туннельного микроскопа.
Физики раскрутили винт Архимеда, состоящий из одной молекулы
Международная группа исследователей из Израиля, Дании, Германии и Китая создала молекулярный мотор, устроенный по принципу древнего винта Архимеда. Спиральная молекула, подвешенная между двумя золотыми остриями, начинает вращаться, когда через нее течет электрический ток, а при смене полярности напряжения винт крутится в обратную сторону.
Молекулярный винт. Реконструкция. AI/ScienceDaily.com
Классический винт Архимеда. Винт Архимеда – одна из древнейших машин. Традиция приписывает его Архимеду (III век до н. э.), хотя похожие устройства, возможно, применялись и раньше в Египте. Это спираль на оси внутри наклонной трубы, нижний конец которой опущен в воду. При вращении витки захватывают воду и поднимают ее вверх. Такие винты орошали поля, осушали шахты и трюмы, а сегодня перекачивают сточные воды и работают на малых ГЭС.
Винт Архимеда поднимает воду вверх. Исследователи применили тот же принцип на молекулярном уровне.
Авторы новой работы, опубликованной в журнале Nature, взяли за образец одну из древнейших машин — винт Архимеда, поднимающий воду вверх. Только вместо воды по спиральной молекуле течет поток электронов, и она начинает вращаться.
Устройство мотора предельно просто, если не учитывать, что речь идет о сборке из отдельных молекул. Его ротор — это специально синтезированная молекула гелицена. Это цепочка ароматических колец, соединенных под углом. Молекула закручивается в спираль — правую или левую, как резьба винта. На концах спирали стоят атомы серы, которые прочно связываются с золотом. Статор заменяют два золотых острия толщиной в один атом. Одиночная молекула гелицена образует «мостик» между атомами серы. Ось вращения проходит вдоль линии между остриями, а связь серы с атомом золота работает как шарнир. Острия служат и подшипниками, и проводами. Раздвигая их, можно растянуть или сжать молекулярную пружину.
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Под напряжением молекула вращалась, причем направление вращения строго менялось при смене полярности. Это первый молекулярный мотор на токе с управляемым направлением вращения, закрепленный между двумя электродами. Электроны передают спирали момент импульса, а направление задает «резьба» молекулы.
Вращение управляет током
Вращение молекулярного винта. Реконструкция.
Ученые смоделировали процесс на суперкомпьютере и показали, почему вращающаяся молекула проводит ток лучше неподвижной: проводимость сильно зависит от угла поворота и может вырасти на два порядка. Ученые отмечают: «Лучше всего проводят ток именно те положения, которых молекула в покое избегает. Только вращение делает их доступными. Мы показали, что электрический ток может порождать направленное вращение, а оно, в свою очередь, управляет током». Открытие может помочь развитию молекулярной электроники.
Загружаем