دانشمندان موتور مولکولی ساختند

به گزارش اطلاعات آنلاین به نقل از نیچر، دانشمندان با الهام از ماشینی که بیش از ۲۰۰۰ سال پیش اختراع شده بود، یک موتور مولکولی پیشگام ساخته‌اند که با استفاده از الکتریسیته در هر دو جهت می‌چرخد. حتی جالب‌تر اینکه، چرخش آن می‌تواند رسانایی الکتریکی را تا ۱۰۰ برابر افزایش دهد و به طور بالقوه آینده الکترونیک مولکولی را متحول کند.

ماشین‌های مولکولی به طور گسترده به عنوان مرز بعدی امیدوارکننده در کوچک‌سازی دیده می‌شوند. طبیعت در حال حاضر نمونه‌هایی را در داخل سلول‌های زنده ارائه می‌دهد؛ جایی که موتورهای مولکولی از انرژی برای ایجاد حرکت استفاده می‌کنند. محققان دهه‌ها تلاش کرده‌اند تا این سیستم‌های بیولوژیکی قابل توجه را به صورت مصنوعی بازسازی کنند و پیشرفت در این زمینه با جایزه نوبل شیمی ۲۰۱۶ به رسمیت شناخته شد.

اکنون دانشمندان یک موتور مولکولی جدید و قابل توجه ساخته‌اند که با عبور الکتریسیته از آن می‌چرخد. این ماشین کوچک با الهام از یک اختراع باستانی، حتی می‌تواند با تغییر ولتاژ الکتریکی، جهت خود را معکوس کند. این دستاورد گامی مهم در جهت ایجاد ماشین‌های کارآمد در کوچکترین مقیاس ممکن است.

یک اختراع باستانی الهام‌بخش یک موتور مولکولی است

دانشمندان برای اولین بار در سال ۲۰۱۱ موتورهای مولکولی را توسعه دادند که مستقیماً با برق کار می‌کردند. با این حال، آن طرح‌های قبلی روی سطوح کار می‌کردند و برای هدایت حرکت خود به نوک یک میکروسکوپ تونلی روبشی متکی بودند.

موتور جدید رویکرد متفاوتی را اتخاذ می‌کند و طرح اولیه خود را از پیچ ارشمیدس، یکی از قدیمی‌ترین ماشین‌های تاریخ ثبت شده، وام گرفته است. این دستگاه ساده که به طور سنتی برای حرکت آب به سمت بالا استفاده می‌شد، برای انتقال مواد به یک مارپیچ چرخان متکی است.

محققان این اصل را در مقیاس مولکولی تطبیق دادند. به جای حرکت آب، طراحی آنها به الکترون‌ها اجازه می‌دهد تا از طریق یک مولکول مارپیچی شکل حرکت کنند و باعث چرخش آن در هنگام عبور جریان الکتریکی شوند.

یک پیچ مولکولی کوچک معلق بین نوک‌های طلایی

جزء مرکزی موتور، یک مولکول مارپیچی با طراحی ویژه است که توسط گروه تحقیقاتی پروفسور مایکل پیتلکوو در دانشگاه کپنهاگ ساخته شده است. این مولکول که تنها چند میلیونیم میلی‌متر اندازه دارد، می‌تواند از طریق اتم‌های گوگرد به سطوح طلا متصل شود.

محققان مولکول‌های منفرد را بین دو نوک طلایی که در ابعاد اتمی تیز شده بودند، قرار دادند. با تغییر دقیق فاصله بین این الکترودها، توانستند پیچ مولکولی را بکشد یا فشرده کند.

هنگامی که دانشمندان یک ولتاژ الکتریکی اعمال کردند، اندازه‌گیری‌ها نشان داد که مولکول شروع به چرخش می‌کند. مهم‌تر از آن، آنها می‌توانند جهت آن را به سادگی با تغییر قطبیت ولتاژ معکوس کنند.

این اولین نمایش از یک موتور مولکولی است که توسط جریان الکتریکی هدایت می‌شود، به طور محکم به دو الکترود فلزی متصل است و قادر به چرخش در جهت قابل کنترل است.

چگونه الکتریسیته باعث چرخش یک مولکول می‌شود؟

نیروی محرکه مستقیماً از الکترون‌هایی ناشی می‌شود که از طریق مولکول مارپیچی حرکت می‌کنند. آنها هنگام حرکت، تکانه زاویه‌ای را به ساختار مولکولی منتقل می‌کنند و چرخش را تقریباً به همان روشی ایجاد می‌کنند که هوای متحرک یک توربین بادی را می‌چرخاند.

شکل مارپیچ نحوه واکنش آن به این جریان را تعیین می‌کند، مشابه تفاوت بین پیچ‌هایی با رزوه‌های راست یا چپ. هنگامی که ولتاژ اعمال شده از یک آستانه مشخص فراتر می‌رود، حرکت به چرخش مداوم تبدیل می‌شود.

اما آزمایش‌ها یک اثر جذاب دیگر را آشکار کردند. مولکول چرخان، الکتریسیته را بسیار کارآمدتر از حالت ثابت هدایت می‌کرد و این سوال مهمی را مطرح می‌کرد در مورد آنچه در داخل این ماشین کوچک اتفاق می‌افتد.

دانشمندان یک اثر الکتریکی ۱۰۰ برابری شگفت‌انگیز را کشف کردند

برای بررسی این رفتار غیرمنتظره، پروفسور دکتر فابیان پالی و دانشجویان دکترای او که در کرسی فیزیک نظری در دانشگاه آوگسبورگ کار می‌کنند، از شبیه‌سازی‌های مکانیک کوانتومی در ابررایانه LiCCA استفاده کردند.

محاسبات آنها رابطه نزدیکی بین چرخش مولکول و توانایی آن در حمل جریان الکتریکی را نشان داد. رسانایی بسته به زاویه مولکول به طور چشمگیری تغییر می‌کند و در طول چرخش تا دو مرتبه بزرگی یا ۱۰۰ برابر افزایش می‌یابد.

دلیل آن به ویژه شگفت‌انگیز بود. برخی از موقعیت‌های مولکولی که اجازه می‌دهند الکتریسیته به راحتی عبور کند، موقعیت‌هایی هستند که مولکول به طور طبیعی هنگام عدم حرکت از آنها اجتناب می‌کند. چرخش، آن ترتیبات بسیار رسانا را قابل دسترس می‌کند.

نکته شگفت‌انگیز این است که دقیقاً موقعیت‌هایی که مولکول هنگام سکون از آنها اجتناب می‌کند، بهترین رسانای الکتریسیته هستند. لئون مارتین توضیح می‌دهد که تنها چرخش است که این موقعیت‌ها را قابل دسترس می‌کند.

این یافته نشان می‌دهد که حرکت مولکولی چیزی بیش از مصرف انرژی الکتریکی است. خودِ حرکت می‌تواند به شدت بر نحوه جریان الکتریسیته در دستگاه تأثیر بگذارد.

همکاری بین‌المللی معما را حل می‌کند

محققان سپس با فیزیکدانان نظری، پر هِدِگارد از موسسه نیلز بور در کپنهاگ و جینگ-تائو لو از دانشگاه علوم و فناوری هواژونگ در ووهان، همکاری کردند.

دانشمندان با استفاده از نتایج شبیه‌سازی، یک مدل نظری ساده‌شده ایجاد کردند که با موفقیت هم چرخش مشاهده‌شده در آزمایش‌ها و هم افزایش جریان الکتریکی همراه با آن را بازسازی کرد.

این ترکیب اندازه‌گیری‌های تجربی و محاسبات نظری برای درک مکانیسم ضروری بود. اگرچه محققان می‌توانستند جریان عبوری از مولکول را اندازه‌گیری کنند، اما برای تعیین آنچه در چنین مقیاس فوق‌العاده کوچکی اتفاق می‌افتد، به شبیه‌سازی نیاز داشتند.

یوتا ایتو، دانشجوی دکترا که اصالتاً اهل ژاپن است، می‌گوید: "در آزمایش، شما فقط جریان را می‌بینید. محاسبات ما به ما این امکان را می‌دهد که نگاهی اجمالی به آنچه در داخل نانواتصال اتفاق می‌افتد، بیندازیم. تنها از طریق همکاری نزدیک بین آزمایش و نظریه در چندین کشور بود که معمای افزایش جریان حل شد."

مرز جدیدی برای الکترونیک مولکولی

این دستاورد در نهایت می‌تواند به توسعه قطعات و فناوری‌های الکترونیکی مولکولی شامل اسپینترونیک کمک کند، که از خواص الکترون‌ها فراتر از بار الکتریکی آنها استفاده می‌کند. همچنین ممکن است امکاناتی را برای سیستم‌های میکروفلوئیدیک فراهم کند که مقادیر بسیار کمی از مایعات را دستکاری می‌کنند.

فراتر از این کاربردهای بالقوه، این موتور راهی جدید برای بررسی فرآیندهای فیزیکی در مقیاس اتمی در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد. توانایی آن در تبدیل الکتریسیته به چرخش کنترل‌شده، در حالی که به آن چرخش اجازه می‌دهد تا بر جریان الکتریکی تأثیر بگذارد، اصل جدیدی را برای طراحی ماشین‌های فوق‌العاده کوچک معرفی می‌کند.

محققان نشان داده‌اند که می‌توان از جریان الکتریکی برای تولید چرخش جهت‌دار استفاده کرد و این چرخش به نوبه خود جریان را کنترل می‌کند. این یک اصل عملیاتی جدید برای ماشین‌هایی است که در محدوده کوچک‌سازی قرار دارند.