Древняя идея потрясает квантовую физику: как только эта молекула начинает вращаться, происходит нечто совершенно неожиданное.
Международная группа исследователей обнаружила физическое явление, которое ранее считалось невозможным. Используя идею, которой тысячи лет, ученые намеренно заставили одну молекулу вращаться – с экстремальными последствиями для потока электрического тока. Как только миниатюрный компонент достигает определенной скорости, происходит нечто, удивляющее даже квантовых физиков.
Подробности читайте после объявления
Теперь международная команда исследователей вдохновилась древней идеей и впервые разработала молекулярную машину, работающую по принципу винта Архимеда. Молекула спиралевидной формы приводится во вращение под действием электрического тока.
Как только вращение достигает определенной скорости, ток резко возрастает почти в сто раз. Исследовательская группа профессора доктора Фабиана Паули из Аугсбургского университета использовала квантово-механическое компьютерное моделирование для объяснения наблюдаемых эффектов. Результаты опубликованы в научном журнале Природа опубликовано.
Архимедовы винты, как и рычаги, колеса, оси или клинья, представляют собой простые машины. Говорят, что их изобретение, тесно связанное с винтом и пропеллером, принадлежит великому греческому учёному Архимеду.
Электричество заставляет молекулы вращаться
Сердцем молекулярной машины является спиралевидная молекула размером в несколько миллионных долей миллиметра, гелицена. Он был сделан специально для исследования командой профессора Майкла Питтелькова из Копенгагенского университета. Молекула может быть связана с поверхностью золота через атомы серы.
Химия гелиценов уже давно находится в центре научного интереса из-за их уникальных структурных, спектральных и оптических свойств.
Подробности читайте после объявления
В Институте Вейцмана в Израиле команда под руководством профессора Орена Таля и доктора Анила Кумара Сингха регистрирует отдельные молекулы между двумя атомарно тонкими золотыми наконечниками. Точно регулируя расстояние между электродами, исследователи смогли растянуть или сжать молекулярный винт.
Направление потока электронов можно контролировать.
Затем измерения показали, что молекула вращается при приложении напряжения. Направление вращения было ясным, и его можно было изменить, изменив полярность напряжения. Исследование впервые демонстрирует молекулярный двигатель с управляемым током и контролируемым направлением вращения, который прочно прикреплен к двум металлическим электродам.
Движение осуществляется за счет электронов. Протекая через молекулу спиралевидной формы, они передают молекуле угловой момент — подобно тому, как ветер приводит в движение ветряную турбину.
Однако направление потока электронов выбирается и определяется намоткой молекулы, как винт с правой или левой резьбой. При определенном напряжении это движение переходит в непрерывное вращение.
Вращающаяся молекула лучше проводит электричество
Но почему вращающаяся молекула проводит электричество гораздо лучше, чем неподвижная? Профессор доктор Фабиан Паули и его докторанты Леон Мартин и Юта Ито на кафедре теоретической физики I Аугсбургского университета исследовали этот вопрос с помощью квантово-механического моделирования на суперкомпьютере LiCCA.
Их расчеты показали, что вращение молекулы тесно связано с ее проводимостью. Проводимость сильно зависит от угла поворота молекулы и может увеличиваться при вращении до двух порядков.
«Удивительно то, что именно те положения, которых молекула избегает в состоянии покоя, лучше всего проводят электроны. Только вращение делает эти положения доступными», — объясняет Леон Мартин.
Тесное международное сотрудничество
Основываясь на этих выводах, партнеры-теоретики Пер Хедегард из Института Нильса Бора в Копенгагене и Цзин-Тао Лю из Университета науки и технологий Хуачжун в Ухане разработали упрощенную модель. Он успешно воспроизвел экспериментально наблюдаемое вращение и рост тока.
«Наши расчеты позволяют нам взглянуть на то, что происходит внутри наноконтакта. Только благодаря тесному сотрудничеству эксперимента и теории в нескольких странах можно разгадать тайну нынешнего увеличения», — говорит Юта Ито, докторант из Японии.
Это открытие имеет потенциал для молекулярных электронных устройств, приложений в спинтронике и микрофлюидных системах. Кроме того, такие миниатюрные машины открывают новые возможности для исследования физических процессов на атомном уровне, то есть для фундаментальных исследований.
Следующий шаг в миниатюризации
«Мы показали, что электрический ток можно использовать для создания направленного вращения и что это вращение, в свою очередь, управляет током. Это новый принцип работы машин, находящихся на крайнем пределе миниатюризации», — подчеркивает Поли.
Молекулярные машины считаются следующим шагом в миниатюризации. Модели можно найти в живых клетках, где молекулярные двигатели преобразуют энергию и генерируют движение. Ученые десятилетиями работали над искусственным копированием таких систем. За исследования в этой области была присуждена Нобелевская премия по химии 2016 года.
Молекулярные двигатели, работающие непосредственно от электрического тока, существуют с 2011 года. Однако до сих пор они функционировали только как молекулы на поверхности, приводимые в движение кончиком сканирующего туннельного микроскопа.
Международное финансирование
Финансирование было таким же международным, как и само исследование. Работу в Аугсбургском университете финансировал Немецкий исследовательский фонд.
Финансирование также поступило от Европейского исследовательского совета, Израильского научного фонда, Фонда Минервы, Фонда Виллума, Фонда Ново Нордиск, Независимого исследовательского фонда Дании, Национальной программы ключевых исследований и разработок Китая и Национального фонда естественных наук Китая.
