Молекулярные машины, подобно обычным механизмам, способны преобразовывать энергию в поступательное движение, однако их конструкция основана на небольшом количестве молекул. Специалисты рассматривают их как перспективное направление в области миниатюризации, поскольку при дальнейшем уменьшении размеров традиционные шестерни и трубопроводы сталкиваются с существенными ограничениями, обусловленными силами трения и капиллярным эффектом, что требует принципиально нового подхода.

Ранее молекулярные двигатели, приводящиеся в действие электрическим током, функционировали исключительно на поверхности и управлялись иглой сканирующего туннельного микроскопа. В рамках недавней разработки международная группа исследователей представила молекулярный двигатель, созданный по аналогии с одной из древнейших машин, придуманных человеком – винтом Архимеда. О результатах работы ученые сообщили в научной публикации. опубликована в Nature.

Винт Архимеда представляет собой ленточную спираль, закрученную вокруг центральной оси. При размещении такой спирали внутри трубы и погружении нижнего конца трубы в воду, вращение винта позволяет транспортировать воду вверх, например, для обеспечения водоснабжения домов или оросительных систем.

Вместо воды по спиральной структуре нового молекулярного винта перемещаются электроны. Данный винт состоит из молекулы дитиоацетил[13]гелицена. Исследователи растянули эту молекулу между атомарно тонкими золотыми иглами, закрепив ее посредством атомов серы. Изменяя расстояние между золотыми электродами путем их удаления и сближения, ученым удалось регулировать размеры винта.

При создании разности потенциалов между электродами наблюдалось вращение молекулы, причем направление этого вращения демонстрировало стабильность. Исследователи смогли осуществлять регулировку направления, изменяя полярность приложенного напряжения. Данное достижение представляет собой первый в своем роде управляемый током молекулярный мотор, позволяющий контролировать направление его вращения подобным образом.

Представители научного сообщества утверждают, что наблюдаемое движение является непосредственным результатом перемещения электронов внутри молекулы. Эти электроны передают ей угловой момент, аналогично тому, как ветер приводит в действие турбинные установки. Интересно отметить, что вращающаяся молекула обладает более высокой электропроводностью по сравнению с неподвижной.

Специалисты в области теоретической физики провели квантово-механические расчеты процессов, протекающих внутри молекулы, используя суперкомпьютер. LiCCA. Выяснилось, что ее вращательное движение тесно связано с электрической проводимостью. Величина этой проводимости зависит от угла поворота молекулярного мотора и может возрастать на два порядка в процессе вращения. При этом молекула стремится избегать конфигурации, характеризующейся максимальным проводимостью. В покое она находится не в таком состоянии. Именно вращение обеспечивает возможность достижения высокой электропроводности. Специально разработанная модель, имитирующая процессы внутри молекулы, демонстрирует высокую точность соответствия экспериментальным результатам.

По мнению исследователей, их разработка найдет применение в области спинтроники и микрофлюидных исследований.