Daugiau nei prieš 2 000 metų Archimedas sugalvojo sraigtinį mechanizmą vandeniui kelti, o dabar mokslininkai jo idėją perkėlė į molekulinį lygį: sukonstruotas elektrinis variklis, kurio judanti dalis – viena molekulė.
Vietoje vandens čia „pumpuojami“ elektronai: per spiralės formos molekulę tekanti elektros srovė priverčia ją suktis, o sukimosi metu elektrai atsiveria laidumui palankesnės padėtys – dėl to srovė gali padidėti net iki šimto kartų.
Šis sprendimas išsiskiria tuo, kad molekulės sukimosi kryptį galima paprastai pakeisti keičiant elektros srovės kryptį. Be to, variklis veikia tarp dviejų nejudančių elektrodų, o judėjimas tiesiogiai keičia laidumą.
Tyrėjai mano, kad toks principas ateityje gali praversti kuriant molekulinio mastelio elektroninius jungiklius, kuriuose vienos molekulės judesys valdytų, kiek elektros teka grandine.
Kaip priversti suktis vieną molekulę
Archimedo sraigtas veikia sukdamas spiralę, kuri stumia vandenį aukštyn. Šiame eksperimente mokslininkai pasiskolino spiralės geometriją, tik vietoje vandens panaudojo elektronų srautą.
Kopenhagos universiteto komanda, vadovaujama chemiko Michaelio Pittelkow, susintetino spiralės formos organinę molekulę – heliceną. Jos galuose esantys sieros atomai leidžia prisitvirtinti prie aukso, todėl molekulę galima „pakabinti“ tarp itin plonų auksinių elektrodų.
Weizmanno mokslo institute Izraelyje tyrėjai tokius molekulinius įrenginius surinko ir atšaldė iki 4,2 laipsnio virš absoliutaus nulio. Įjungus elektrą, srovė netekėjo tolygiai – ji kilo ir krito pasikartojančiu ritmu, o tai rodė, kad molekulė po truputį keičia padėtį, pereidama į būsenas, kuriose laidumas skiriasi.
Pakeitus įtampą, pasikeitė ir „šuolių“ seka – tai buvo ženklas, kad molekulė pradėjo suktis priešinga kryptimi. Kitaip tariant, kryptį pavyko valdyti vien elektros parametrais.
Kodėl sukantis laidumas šokteli iki 100 kartų
Esant mažesnėms įtampoms molekulė, panašu, sukasi žingsniais – trumpam stabilizuojasi tam tikrose padėtyse. Tačiau viršijus tam tikrą ribą srovė staiga išauga, kai kuriais atvejais – iki šimto kartų.
Kvantinės mechanikos skaičiavimai, kuriuos atliko Augsburgo universiteto ir kitų institucijų mokslininkai, rodo, kad šuolis gali būti susijęs su perėjimu nuo žingsninio judėjimo prie tolydesnio sukimosi. Sukdamasi molekulė praeina per konfigūracijas, kuriose elektronams lengviau „pereiti“ tarp auksinių elektrodų, todėl ji tampa geresniu laidininku būtent judėdama.
„Netikėta tai, kad būtent tos padėtys, kurių molekulė vengia būdama ramybės būsenoje, geriausiai praleidžia elektrą. Tik sukimasis padaro šias padėtis pasiekiamas“, – sakė Augsburgo universiteto doktorantas León Martin.
Tyrėjai taip pat parodė, kad galima reguliuoti, kada įvyksta šis laidumo šuolis: pakanka auksinius elektrodus priartinti ar nutolinti mažiau nei dešimtąją nanometro dalį. Taip spiralė šiek tiek suspaudžiama arba ištęsiama, o kartu kinta ir srovė, reikalinga spartesniam judėjimui.
Kuo šis variklis skiriasi nuo ankstesnių
Elektriškai valdomi molekuliniai varikliai buvo kuriami ir anksčiau, tačiau ankstesniuose sprendimuose dažnai remtasi paviršiais ir skenuojančio mikroskopo antgaliais, kurie „pastumdavo“ molekules. Šįkart molekulė veikia tarp fiksuotų elektrodų, o sukimosi kontrolė pasiekiama elektros srove.
Svarbu ir tai, kad srovės šuolis, anot kompiuterinių modelių, nepaaiškinamas paprastu „elektronų pumpavimu“ taip, kaip Archimedo sraigtas pumpuoja vandenį – šis efektas per mažas, kad paaiškintų stebėtus pokyčius. Esminis veiksnys yra tai, kad sukimosi metu pakinta elektronų pralaidumas per pačią molekulę.
Palyginimui mokslininkai išbandė panašią, tik tiesią molekulę: ji neparodė nei cikliškų elektrinių signalų, nei ryškaus laidumo padidėjimo. Nauji rezultatai paskelbti žurnale „Nature“.