Это заметка о том, как химики синтезировали молекулярный винт Архимеда — один из первых управляемых током молекулярных моторов. Работа опубликована в Nature.
Контекст
Молекулярные машины преобразуют энергию в движение, но состоят из небольшого числа молекул. Они — следующий шаг в миниатюризации: там, где обычные шестерни и трубки начинают мешать трение и капиллярные эффекты, нужна другая парадигма. Раньше молекулярные моторы, питаемые током, работали только на поверхности, а вращение задавала игла сканирующего туннельного микроскопа.
Что сделали
Международная группа учёных построила молекулярный двигатель по принципу винта Архимеда — ленточной спирали вокруг центральной оси. Если такую спираль поместить в трубку и опустить концом в воду, вращением можно поднимать воду наверх. В новой молекуле по спирали движутся не молекулы воды, а электроны.
Винт — это молекула дитиоацетил[13]гелицена.
Её растянули между атомарно тонкими золотыми иглами, привязав атомами серы.
Удаляя и приближая золотые электроды, учёные меняли размеры винта.
Молекула вращалась при создании разницы напряжений между электродами.
Направление вращения стабильно и регулируется сменой полярности напряжения — это первый управляемый током молекулярный мотор с таким контролем направления.
Почему это работает
По словам авторов, движение — прямое следствие перемещения электронов в молекуле: они передают ей угловой момент, как ветер вращает турбины. Причём вращающаяся молекула проводит электричество лучше, чем стационарная.
Теоретики провели квантово-механические симуляции на суперкомпьютере LiCCA. Оказалось:
вращение сильно связано с проводимостью;
проводимость зависит от угла вращения и во время вращения может расти до двух порядков;
в состоянии покоя молекула избегает конфигурации с наибольшей проводимостью — высокую проводимость делает возможной именно вращение.
Модель хорошо воспроизвела экспериментальные данные.
Зачем это нужно
Авторы считают разработку полезной для спинтроники и микрофлюидных исследований.