نقش علمی: محققان پیچ آرکیومید را به اندازه‌ای یک مولکول کوچک کاهش دادند

ماشین‌های مولکولی به طور گسترده به عنوان یکی از مرزهای نوین در کوچک‌سازی شناخته می‌شوند. طبیعت نیز نمونه‌هایی از این ماشین‌ها را در داخل سلول‌های زنده ارائه می‌دهد، جایی که موتورهای مولکولی از انرژی برای تولید حرکت استفاده می‌کنند. محققان چند دهه است که سعی می‌کنند این سیستم‌های بیولوژیکی شگفت‌انگیز را به صورت مصنوعی بازسازی کنند و پیشرفت در این زمینه با جایزه نوبل شیمی در سال ۲۰۱۶ تجلیل شد.

یک اختراع قدیمی الهام‌بخش یک موتور مولکولی

محققان اولین موتورهای مولکولی برقی که مستقیماً توسط برق تغذیه می‌شوند را در سال ۲۰۱۱ توسعه دادند. اما طراحی‌های اولیه آن‌ها روی سطح عمل می‌کردند و به نوبت انتهای میکروسکوپ میکروسکوپ الکترون رزونانسی برای هدایت حرکت خود وابسته بودند.

موتور جدید یک رویکرد متفاوت دارد و از طراحی اساسی پیچ آرکیومید، یکی از قدیمی‌ترین ماشین‌های در دست نوشته‌ها، استفاده می‌کند. این وسیله ساده برای انتقال آب به بالا استفاده می‌شود و با استفاده از یک حلقه چرخان برای حمل مواد به کار می‌رود.

محققان این اصل را به مقیاس مولکولی تطبیق دادند. به جای حرکت آب، طراحی آن اجازه می‌دهد تا الکترون‌ها از طریق یک مولکول حلقه‌ای حرکت کنند و به محض عبور جریان الکتریکی، مولکول چرخش کند.

یک پیچ مولکولی کوچک معلق بین نوبت‌های طلایی

ماده مرکزی موتور یک مولکول حلقه‌ای خاص است که توسط گروه پرفسور میکائیل پیترلکوف در دانشگاه کپنهاگ طراحی شده است. اندازه آن تنها چند میلونتمتر است و می‌تواند از طریق اتم‌های سولفور به سطح طلا متصل شود.

در موسسه وایزمانن در اسرائیل، محققان تحت رهبری پرفسور اورن تال و دکتر آنیل کومار سنگه، مولکول‌های个别 را بین دو نوبت طلایی که به اندازه اتم‌ها تیز شده بودند، قرار دادند. با تغییر دقیق فاصله بین این ابرشاخه‌ها، تیم می‌توانست پیچ مولکولی را کشش یا فشرده کند.

وقتی دانشمندان ولتاژ الکتریکی اعمال کردند، اندازه‌گیری‌ها نشان داد که مولکول شروع به چرخش کرد. حتی مهم‌تر، می‌توانند تغییرات جهت آن را با تغییر قطبیت ولتاژ تغییر دهند.

این نشان می‌دهد که اولین نمایش از یک موتور مولکولی است که توسط جریان الکتریکی هدایت می‌شود، به طور قطعی به دو ابرشاخه فلزی متصل است و می‌تواند در یک جهت قابل کنترل چرخش کند.

چگونه برق یک مولکول را چرخش می‌دهد

نیروی هدایت کننده مستقیماً از الکترون‌هایی می‌آید که از طریق مولکول حلقه‌ای حرکت می‌کنند. در حالی که حرکت می‌کنند، انرژی چرخشی را به ساختار مولکولی منتقل می‌کنند و چرخش را به همین صورت که حرکت هوا یک توربین بادی را می‌چرخاند، ایجاد می‌کنند.

فرم پیچ به طوری که به آن واکنش نشان می‌دهد، مشابه تفاوت بین پیچ‌های با پیچ راست یا چپ‌دست است. وقتی ولتاژ اعمال شده از یک مرز مشخص فراتر برود، حرکت به صورت چرخش پیوسته می‌شود.

اما آزمایش‌ها نشان داد که یک اثر جالب دیگر وجود دارد. مولکولی که در حالت استاتیک از طریق الکتریسیته به طور موثرتر انتقال می‌دهد، همچنین در موقعیت‌هایی قرار دارد که مولکول طبیعتاً هنگام غیرفعال بودن خود از آن‌ها اجتناب می‌کند. چرخش این موقعیت‌های بسیار قابل انتقال را ممکن می‌کند.

محققان یک اثر ۱۰۰ برابری الکتریکی کشف کردند

برای بررسی این رفتار غیرمنتظره، پرفسور دکتر فابیان پاولی و دانشجویان دکترای خود لئون مارتین و یوتا ایتو، که در صندلی فیزیک نظری ۱ دانشگاه اوبینگن کار می‌کنند، از مدل‌سازی کوانتومی بر روی ابرکامپیوتر LiCCA استفاده کردند.

محاسبات آن‌ها نشان داد که رابطه نزدیکی بین چرخش مولکول و توانایی آن برای حمل الکتریسیته وجود دارد. انتقال الکتریسیته به طور شگفت‌آور در طول چرخش به طور قابل توجهی تغییر می‌کند، به طوری که تا دو مرتبه بزرگتر از ۱۰۰ برابر افزایش می‌یابد.

علت این مسئله بسیار جالب بود. برخی از موقعیت‌های مولکولی که به طور موثرترین ممکن است الکتریسیته را انتقال دهند، نیز موقعیت‌هایی هستند که مولکول طبیعتاً هنگام غیرفعال بودن خود از آن‌ها اجتناب می‌کند. چرخش این موقعیت‌های بسیار قابل انتقال را ممکن می‌کند.

"جالب این است که دقیقاً موقعیت‌هایی که مولکول در حالت استاتیک از آن‌ها اجتناب می‌کند، بهترین انتقال الکتریسیته دارند. تنها چرخش است که این موقعیت‌ها را قابل دسترسی می‌کند," لئون مارتین توضیح می‌دهد.

این یافتن نشان می‌دهد که حرکت مولکولی بیش از مصرف انرژی الکتریکی انجام نمی‌دهد. حرکت خود به طور قابل توجهی می‌تواند تأثیر بگذارد که الکتریسیته چگونه از طریق دستگاه جریان می‌یابد.

تعامل بین تجربه و نظریه حل راز

محققان سپس با فیزیکدان‌های نظری پی هدگرارد از موسسه نیلس بور در کپنهاگ و جینگ-تاو لو از دانشگاه علم و فناوری هوآزونگ در ووهان همکاری کردند.

با استفاده از نتایج مدل‌سازی، دانشمندان یک مدل نظری ساده‌ای توسعه دادند که هم چرخش مشاهده شده در آزمایش‌ها و افزایش جریان الکتریکی را بازسازی کرده است.

این ترکیب از اندازه‌گیری‌های تجربی و محاسبات نظری برای درک مکانیزم حیاتی بود. اگرچه محققان می‌توانند جریان عبور از مولکول را اندازه‌گیری کنند، اما برای تعیین آنچه در چنین مقیاس‌های بسیار کوچک رخ می‌دهد، به مدل‌سازی نیاز داشتند.

"در آزمایش، شما تنها جریان را می‌بینید. محاسبات ما به ما اجازه می‌دهد تا در داخل تماس نانو نگاه کنیم. تنها از طریق همکاری نزدیک بین تجربه و نظریه در چندین کشور می‌توان راز افزایش جریان حل کرد," یوتا ایتو، دانشجوی دکتری اهل ژاپن می‌گوید.

نوآوری در الکترونیک مولکولی

این دستاورد می‌تواند به توسعه اجزای الکترونیک مولکولی و فناوری‌های مرتبط با سینترونیک که از ویژگی‌های الکترون‌ها فراتر از شارژ الکتریکی استفاده می‌کند، کمک کند. همچنین ممکن است برای سیستم‌های میکروفلوئیدیک که حجم بسیار کوچک از سیالات را manipulate می‌کنند، فرصت‌هایی ایجاد کند.

بeyond these potential applications، the motor provides scientists with a new way to investigate physical processes at the atomic scale. Its ability to convert electricity into controlled rotation while allowing that rotation to influence electrical current introduces a new principle for designing extraordinarily small machines.

"We have shown that an electric current can be used to generate a directed rotation and that this rotation, in turn, controls the current. This is a new operating principle for machines at the very limits of miniaturization," explains Pauly.

The work at the University of Augsburg received funding from the German Research Foundation (DFG) through Collaborative Research Center (SFB) 1585 (project number 492723217). The computational research was conducted using the University of Augsburg's LiCCA supercomputer (DFG project number 499211671).

Additional support for the collaborating institutions came from the European Research Council (ERC, Horizon 2020, Grant 864008), the Israel Science Foundation (2129/23), the Minerva Foundation, the Villum Foundation, the Novo Nordisk Foundation, the Independent Research Fund Denmark (DFF), the National Key Research and Development Program of China, and the National Natural Science Foundation of China.