Учёные уменьшили винт Архимеда до размеров молекулы: что нового

Международная группа исследователей совершила прорыв в области нанотехнологий, создав уникальный молекулярный мотор, который приводится в движение электрическим током. За основу была взята концепция древнего винта Архимеда, перенесенная на наноуровень. Новая разработка открывает широкие перспективы для создания управляемых наномашин и наноэлектроники нового поколения.

• Учёные разработали молекулярный мотор на основе винта Архимеда, вращающийся под действием электрического тока.
• Спиральная молекула создана в Копенгагенском университете, а испытания проведены в Институте Вейцмана.
• Направление вращения можно менять с помощью полярности напряжения, а проводимость возрастает в сто раз.

Принцип работы и конструкция молекулярного мотора

В основе устройства лежит специально разработанная спиральная молекула, созданная командой профессора Майкла Питтелькова из Копенгагенского университета. Длина этой крошечной структуры составляет всего несколько миллионных долей миллиметра. Благодаря наличию атомов серы молекула способна надежно закрепляться на золотых поверхностях, образуя стабильный электрический контакт.

Исследователи из Института Вейцмана в Израиле под руководством профессора Орена Таля и доктора Анила Кумара Сингха зажали отдельные молекулы между двумя золотыми электродами с атомарными размерами кончиков. Регулируя дистанцию между электродами, ученые получили возможность физически растягивать или сжимать молекулярный винт, настраивая его параметры для экспериментов.

Экспериментальные наблюдения и квантовые расчёты

При подаче электрического напряжения приборы фиксировали характерные цикличные переходы между состояниями электропроводимости. Самого вращения физически увидеть было нельзя, однако квантово-механические расчеты и математические модели потенциального рельефа подтвердили: эти переходы однозначно соответствуют вращению молекулы вокруг своей оси.

Критически важной особенностью мотора стала возможность менять направление вращения на противоположное простой сменой полярности напряжения. Когда приложенное электрическое поле превышает пороговое значение, движение переходит в непрерывный и стабильный режим вращения под действием электронов.

Связь вращения и электропроводимости наномашины

В ходе экспериментов выяснился любопытный факт: вращающаяся молекулярная структура проводит электрический ток значительно эффективнее, чем неподвижная. Расчеты показали прямую зависимость между углом поворота и уровнем проводимости, которая в процессе вращения может возрастать примерно в сто раз.

Ученые объяснили этот феномен неожиданной особенностью квантового поведения: оптимальные для прохождения тока положения молекулы в покое являются невыгодными и естественным образом избегаются ею. Именно непрерывное вращение делает такие высокопроводящие конфигурации доступными для электронов.

Перспективы применения и значение открытия

Данная работа представляет собой первую успешную демонстрацию молекулярного мотора на электротяге, жестко соединенного с металлическими электродами и способного вращаться в контролируемую сторону. Электроны передают молекуле угловой момент точно так же, как поток воздуха приводит в движение турбину.

Для современной науки и нанотехнологий это достижение означает шаг к созданию сложнейших молекулярных устройств, способных выполнять полезную работу на микроскопическом уровне. Хотя до практического внедрения в коммерческие продукты еще далеко, фундамент для будущих нанороботов уже заложен.