En internasjonal forskergruppe har utviklet en molekylmotor som kobler elektrisk strøm og mekanisk bevegelse på en ny måte. Motoren bruker strøm til å sette et skrueformet molekyl i rotasjon, mens rotasjonen i seg selv kan øke strømmen gjennom molekylet med opptil to størrelsesordener – omtrent 100 ganger.

Forskerne hentet inspirasjon fra Arkimedes’ skrue, en mer enn 2.000 år gammel innretning med et spiralformet blad i en sylinder. Når skruen roterer, kan den løfte vann eller faste materialer. I den nye maskinen overfører elektroner som strømmer gjennom en tilsvarende vridd struktur, dreiemoment til molekylet og får det til å rotere.

Strømmen driver bevegelsen

Forsøk på å lage kunstige molekylmaskiner har pågått i flere tiår, blant annet med inspirasjon fra motorene som driver bevegelse inne i levende celler. En viktig utfordring har vært å få et molekyl til å rotere forutsigbart under påvirkning av elektrisk strøm, samtidig som det beholder elektrisk kontakt med metallelektroder.

Den nye enheten demonstrerer spenningsstyrt rotasjon med 100 prosent retningspreferanse. Det betyr at molekylet roterte i én bestemt retning ved en gitt polaritet, og at retningen kunne snus ved å reversere spenningens polaritet.

«Vi har vist at en elektrisk strøm kan brukes til å skape en rettet rotasjon, og at denne rotasjonen i sin tur styrer strømmen. Dette er et nytt driftsprinsipp for maskiner helt på grensen av miniatyrisering», sa Fabian Pauly, en av studiens forfattere og professor ved Universitetet i Augsburg i Tyskland.

I stedet for å bli beveget av et eksternt mekanisk verktøy drives motoren av selve strømmen. Den sentrale komponenten er et dithioacetyl-funksjonalisert (13) helicen-molekyl, som Michael Pittelkows team ved Københavns Universitet syntetiserte spesielt for studien.

Molekylet er bare noen få nanometer stort og kan festes til gullflater gjennom svovelatomer. Ved Weizmann Institute of Science i Israel koblet forskere ledet av Oren Tal og Anil Kumar Singh individuelle molekyler mellom to ekstremt fine gullspisser.

Elektrodene dannet en kanal for elektrisk strøm gjennom molekylet. Ved å justere avstanden mellom spissene kunne forskerne strekke eller komprimere molekylstrukturen. Dermed kunne de også endre spenningen der strømøkningen begynte.

Elektroner overfører dreiemoment

Da forskerne satte på en spenning, begynte molekylet å bevege seg syklisk og med en tydelig foretrukket retning. Når polariteten ble snudd, endret også rotasjonsretningen seg. Forskerne kunne dermed styre motorens bevegelse uten å manipulere molekylet fysisk.

Bevegelsen skyldes krefter som oppstår når strøm går gjennom molekylet. Elektronene overfører dreieimpuls til den spiralformede strukturen. Molekylets kiralitet – eller «hendthet» – bidrar til å bestemme rotasjonsretningen, på samme måte som gjengene på en vanlig skrue bestemmer hvilken vei den beveger seg.

Andre forskere har utviklet DNA-baserte molekylære nanomaskiner, men disse bruker en annen energikilde for å skape bevegelse.

Rotasjonen åpner en bedre strømvei

Forskerne observerte også en uventet elektrisk effekt: Etter at molekylet begynte å bevege seg, kunne strømmen øke kraftig. For å undersøke årsaken brukte de kvantemekaniske simuleringer på superdatamaskinen LiCCA.

Beregningene viste at molekylet leder strøm svært ulikt avhengig av rotasjonsvinkelen. Når molekylet roterer, får det tilgang til konfigurasjoner som gjør det langt enklere for elektroner å passere. Det kan øke konduktansen med opptil to størrelsesordener, eller rundt 100 ganger.

«Det overraskende er at det nettopp er posisjonene molekylet unngår når det er i ro, som leder strøm best. Det er bare rotasjonen som gjør disse posisjonene tilgjengelige», sa Léon Martin, en av forskerne og doktorgradsstipendiat ved Universitetet i Augsburg.

Forskerne utviklet deretter en forenklet modell som gjenskapte den observerte rotasjonen og strømøkningen. Beregningene forutsier også at molekylet, over en terskelspenning, kan gå fra trinnvis bevegelse til kontinuerlig rotasjon.

Slike beregninger inngår i et bredere arbeid med å forstå hvorfor simuleringer av molekyler fortsatt er krevende.

«I eksperimentet ser man bare strømmen. Beregningene våre lar oss få et innblikk i hva som skjer inne i nanokontakten», sa Yuta Ito, en av studiens forfattere.

Foreløpig bare en laboratorieprototype

Resultatene kan bidra til utvikling av molekylære elektroniske komponenter, spintronikk-enheter som bruker elektronspinn til å behandle informasjon, og svært små systemer for manipulering av væsker. De gir også forskerne en måte å undersøke hvordan mekanisk bevegelse og elektrisk transport påvirker hverandre på molekylnivå.

Enheten er imidlertid fortsatt en laboratorieprototype basert på ett enkelt molekyl som holdes mellom guldelektroder. Ytelsen i praktiske enheter er ikke fastslått, og de foreslåtte bruksområdene er foreløpig muligheter – ikke demonstrerte anvendelser.

Videre forskning må avklare hvordan motoren oppfører seg under andre driftsforhold, og om prinsippet kan bygges inn i funksjonell molekylteknologi. Studien er publisert i tidsskriftet Nature.