Гвинт Архімеда розміром з молекулу: фізики обертанням посилили струм у 100 разів

Міжнародна команда фізиків створила молекулярну машину, що працює за принципом гвинта Архімеда — одного з найдавніших відомих механізмів. Спіральну молекулу розкручує електричний струм, а коли обертання досягає певної швидкості, сила струму крізь неї стрибкоподібно зростає до 100 разів. Результати дослідження опублікував журнал Nature.

У роботі взяли участь Копенгагенський університет, Інститут Вейцмана в Ізраїлі, Аугсбурзький університет у Німеччині, Інститут Нільса Бора та Хуачжунський університет науки і технологій у Китаї. Кожна команда відповідала за свою частину: синтез молекули, вимірювання або квантові розрахунки.

Від водяного насоса до молекули

Гвинт Архімеда — це спіральна лопать усередині циліндра. Якщо її обертати, вона піднімає воду знизу вгору. Такі пристрої досі використовують для перекачування води та сипких матеріалів, а з’явилися вони понад дві тисячі років тому. У новій машині принцип працює навпаки: замість води крізь спіральну структуру рухаються електрони, і саме вони змушують її обертатися. Проходячи крізь молекулу, електрони передають їй обертальний імпульс, приблизно як вітер крутить лопаті вітряка, пояснюють автори.

“Ми показали, що електричний струм можна використати для спрямованого обертання, і це обертання, своєю чергою, керує струмом. Це новий принцип роботи для машин на самій межі мініатюризації”, — каже професор Аугсбурзького університету Фабіан Пауль.

Напрям обертання задає “різьба” молекули: так само, як гвинт із правою чи лівою різьбою закручується в різні боки. Якщо змінити полярність напруги, молекула починає обертатися у протилежному напрямку, зазначає Nanowerk.

Спіраль між двома золотими вістрями

Серце машини — молекула гелікену. Вона складається з ароматичних кілець, зчеплених так, що вся конструкція закручується в спіраль, схожу на пружину. Цю молекулу завбільшки лише кілька нанометрів спеціально для дослідження синтезувала команда Міхаеля Піттелкова з Копенгагенського університету. Через атоми сірки вона чіпляється до золотих поверхонь.

В Інституті Вейцмана група Орена Таля та Аніла Кумара Сінгха натягувала окремі молекули між двома атомарно тонкими золотими вістрями. Змінюючи відстань між ними, фізики розтягували або стискали молекулярну “пружину” і так змінювали напругу, за якої починалося посилення струму, пише Bioengineer.

Чому струм зростає в 100 разів

Найнесподіванішим виявився електричний ефект: щойно молекула починала рухатися, струм різко зростав. Щоб зрозуміти чому, аугсбурзька група запустила квантово-механічні симуляції на суперкомп’ютері LiCCA. Розрахунки показали, що провідність молекули, тобто наскільки легко крізь неї проходять електрони, сильно залежить від кута повороту і під час обертання може зрости на два порядки.

“Дивно те, що найкраще проводять електрони саме ті положення, яких молекула уникає у стані спокою. Лише обертання робить ці положення доступними”, — пояснює аспірант Аугсбурзького університету Леон Мартін.

Тобто електрони не рухаються “швидше” в буквальному сенсі: обертання відкриває молекулі конфігурації, у яких опір значно менший, тож за тієї самої напруги крізь неї проходить більше заряду. Теоретики з Копенгагена та Уханя побудували спрощену модель, яка відтворила і обертання, і стрибок струму. Модель також передбачає, що вище певної порогової напруги покрокові рухи переходять у безперервне обертання.

Чим це відрізняється від попередніх моторів

Молекулярні мотори на електриці існують з 2011 року. Тоді хіміки з Університету Тафтса продемонстрували мотор завширшки один нанометр: молекулу на мідній поверхні крутили зарядом із вістря скануючого тунельного мікроскопа, а працював він за температури близько 5 кельвінів. Однак такі мотори були закріплені лише з одного боку, а з другого тільки нещільно торкалися вістря мікроскопа.

Гвинт Архимеда. Малюнок: Аугсбурзький університет

Нова машина вперше міцно з’єднана з двома металевими електродами і має керований напрям обертання. Для порівняння, більшість мікро- та нанороботів рухається не струмом, а зовнішнім полем: так, наприклад, працюють нанороботи, які чистять носові пазухи.

“За рівнем розвитку молекулярний мотор перебуває на тому ж етапі, що й електродвигун у 1830-х роках, коли науковці демонстрували різноманітні обертові ручки й колеса, не підозрюючи, що з них виростуть електропотяги, пральні машини, вентилятори та кухонні комбайни”, — писав Нобелівський комітет у 2016 році.

Тоді Нобелівську премію з хімії присудили Жан-П’єру Соважу, Фрейзеру Стоддарту та Бену Ферінзі за розробку і синтез молекулярних машин. Відтоді їх навчилися живити світлом, хімічними реакціями та струмом, але керувати таким рухом у стабільному електричному контакті досі вдавалося погано.

Поки лише лабораторний прототип

Автори бачать застосування в молекулярній електроніці, спінтроніці (електроніці, яка використовує спін — магнітну властивість електрона) та мікрофлюїдних системах для керування рідинами на мікрорівні. Подібні мініатюрні механізми вже шукають і для медицини: наприклад, крихітний робот-спінер видаляє тромби в судинах, хоча він значно більший і працює зовсім інакше.

Утім, йдеться про одну молекулу, затиснуту між золотими вістрями в лабораторних умовах. Як мотор поводитиметься в інших режимах і чи можна вбудувати його в реальні пристрої, ще належить з’ясувати. Ця робота продовжує попередні дослідження тієї ж команди: восени 2025 року вона описувала, як розтягування та стискання гелікенових “пружин” змінюють їхню провідність.