Forskere har utviklet en molekylmotor som roterer når elektrisitet går gjennom den. Motoren er inspirert av Arkimedes’ skrue og er så liten at selve maskinen består av ett spesialdesignet molekyl.

Forsøket viser for første gang en elektrisk drevet molekylmotor som er fast koblet til to metallelektroder, samtidig som rotasjonsretningen kan styres. Forskerne fant også at molekylets evne til å lede strøm kan øke med opptil hundre ganger mens det roterer.

Inspirert av en gammel maskin

Molekylmaskiner blir sett på som et viktig neste steg i utviklingen av stadig mindre teknologi. Naturen har allerede mange eksempler på slike maskiner inne i levende celler, der molekylære motorer bruker energi til å skape bevegelse. Forskere har i flere tiår forsøkt å lage kunstige versjoner, og feltet ble blant annet anerkjent med Nobelprisen i kjemi i 2016.

De første molekylmotorene som ble drevet direkte av elektrisitet, ble utviklet i 2011. Disse konstruksjonene beveget seg imidlertid på overflater og var avhengige av spissen på et skanningstunnelmikroskop for å sette i gang bevegelsen.

Den nye motoren bygger i stedet på prinsippet bak Arkimedes’ skrue. Oppfinnelsen, som tradisjonelt brukes til å frakte vann oppover, benytter en roterende spiral til å flytte materiale.

Forskerne har tilpasset prinsippet til molekylnivå. I stedet for å flytte vann går elektroner gjennom et spiralformet molekyl. Når den elektriske strømmen passerer, får molekylet en roterende bevegelse.

En molekylær skrue mellom to gullspisser

Motorens sentrale del er et spesialdesignet spiralmolekyl utviklet av forskningsgruppen til professor Michael Pittelkow ved Københavns Universitet. Molekylet er bare noen få milliondeler av en millimeter langt og kan feste seg til gullflater gjennom svovelatomer.

Ved Weizmann Institute of Science i Israel plasserte forskere under ledelse av professor Oren Tal og dr. Anil Kumar Singh enkeltmolekyler mellom to gullspisser som var slipt ned til atomær størrelse. Ved å endre avstanden mellom elektrodene kunne de strekke eller komprimere den molekylære skruen.

Da forskerne satte på elektrisk spenning, viste målingene at molekylet begynte å rotere. Endret de polariteten på spenningen, snudde også rotasjonsretningen.

Drivkraften kommer direkte fra elektronene som beveger seg gjennom spiralen. Når elektronene passerer, overfører de dreieimpuls til molekylstrukturen. Forskerne sammenligner effekten med hvordan luft i bevegelse får en vindturbin til å rotere.

Spiralens form avgjør hvordan molekylet reagerer på elektronstrømmen, på samme måte som høyre- og venstregjengede skruer beveger seg forskjellig. Når spenningen overstiger en bestemt terskel, går bevegelsen over i kontinuerlig rotasjon.

Strømmen økte opptil hundre ganger

Forsøkene viste samtidig at det roterende molekylet ledet strøm langt mer effektivt enn når det sto stille. Det reiste spørsmålet om hva som foregikk inne i den svært lille maskinen.

For å undersøke dette brukte professor Fabian Pauly og doktorgradsstudentene Léon Martin og Yuta Ito ved Chair of Theoretical Physics I ved Universitetet i Augsburg kvantemekaniske simuleringer på LiCCA-superdatamaskinen.

Beregningene viste en tett sammenheng mellom molekylets rotasjon og evnen til å lede elektrisk strøm. Ledningsevnen endret seg kraftig avhengig av molekylets vinkel, og økte med opptil to størrelsesordener – altså opptil 100 ganger – under rotasjonen.

Forklaringen var at enkelte av molekylets mest strømledende posisjoner også er posisjoner molekylet naturlig unngår når det er i ro. Rotasjonen gjør disse posisjonene tilgjengelige.

«The surprising thing is that it is precisely the positions that the molecule avoids when at rest that conduct electricity best. It is only the rotation that makes these positions accessible,» forklarer Léon Martin.

Funnet viser at molekylær bevegelse ikke bare bruker elektrisk energi. Selve bevegelsen kan også påvirke hvordan elektrisiteten strømmer gjennom maskinen.

Eksperimenter og beregninger løste gåten

Forskerne samarbeidet videre med teoretiske fysikere Per Hedegård ved Niels Bohr-instituttet i København og Jing-Tao Lü ved Huazhong University of Science and Technology i Wuhan.

Ved hjelp av simuleringsresultatene utviklet forskerne en forenklet teoretisk modell. Modellen gjenskapte både rotasjonen som ble observert i forsøkene, og den tilhørende økningen i elektrisk strøm.

Kombinasjonen av eksperimentelle målinger og teoretiske beregninger var nødvendig for å forstå mekanismen. Forskerne kunne måle strømmen som gikk gjennom molekylet, men måtte bruke simuleringer for å finne ut hva som skjedde på den svært lille skalaen.

«In the experiment, you only see the current. Our calculations allow us to glimpse what is happening inside the nanocontact. It was only through close collaboration between experiment and theory across several countries that the mystery of the current increase could be solved,» sier Yuta Ito, som er doktorgradsstudent og opprinnelig fra Japan.

Mulige bruksområder

Resultatet kan på sikt bidra til utviklingen av molekylære elektroniske komponenter og teknologi innen spintronikk, som utnytter egenskaper ved elektroner utover den elektriske ladningen. Det kan også åpne for muligheter innen mikrofluidikk, der svært små væskemengder manipuleres.

Motoren gir samtidig forskere en ny måte å undersøke fysiske prosesser på atomnivå. Den kan omdanne elektrisitet til kontrollert rotasjon, samtidig som rotasjonen påvirker den elektriske strømmen tilbake.

«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,» forklarer Pauly.

Arbeidet ved Universitetet i Augsburg fikk støtte fra German Research Foundation (DFG) gjennom Collaborative Research Center (SFB) 1585, prosjekt nummer 492723217. Beregningene ble utført på Universitetet i Augsburgs LiCCA-superdatamaskin gjennom DFG-prosjekt nummer 499211671.

De samarbeidende institusjonene fikk i tillegg støtte fra European Research Council gjennom Horizon 2020, bevilgning 864008, Israel Science Foundation med bevilgning 2129/23, Minerva Foundation, Villum Foundation, Novo Nordisk Foundation, Independent Research Fund Denmark, National Key Research and Development Program of China og National Natural Science Foundation of China.