Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Επιστήμονες ανέπτυξαν έναν αξιοσημείωτο νέο μοριακό κινητήρα, εμπνευσμένο από τον κοχλία του Αρχιμήδη, ο οποίος περιστρέφεται όταν περνά μέσα από αυτόν ηλεκτρικό ρεύμα. Η μικροσκοπική αυτή μηχανή μπορεί ακόμη και να αλλάξει κατεύθυνση περιστροφής όταν αντιστρέφεται η ηλεκτρική τάση.
- Αυτό αποτελεί την πρώτη επίδειξη ενός μοριακού κινητήρα ο οποίος κινείται με ηλεκτρικό ρεύμα, είναι σταθερά συνδεδεμένος με δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια και έχει τη δυνατότητα να περιστρέφεται προς μια ελεγχόμενη κατεύθυνση.
- Οι υπολογισμοί αποκάλυψαν ότι η ηλεκτρική αγωγιμότητα αυξάνεται έως και κατά 100 φορές κατά τη διάρκεια της περιστροφής, ένα εύρημα που ανοίγει νέους ορίζοντες για τον τομέα των μοριακών ηλεκτρονικών.
Επιστήμονες ανέπτυξαν έναν αξιοσημείωτο νέο μοριακό κινητήρα που περιστρέφεται όταν περνά μέσα από αυτόν ηλεκτρικό ρεύμα. Εμπνευσμένη από μια αρχαία εφεύρεση, η μικροσκοπική αυτή μηχανή μπορεί ακόμη και να αλλάξει κατεύθυνση περιστροφής όταν αντιστρέφεται η ηλεκτρική τάση.
Το επίτευγμα αυτό αποτελεί ένα σημαντικό βήμα προς τη δημιουργία λειτουργικών μηχανών στη μικρότερη δυνατή κλίμακα. Οι μοριακές μηχανές θεωρούνται ευρέως ως ένα πολλά υποσχόμενο νέο σύνορο στον τομέα της σμίκρυνσης. Η φύση παρέχει ήδη σχετικά παραδείγματα στο εσωτερικό των ζωντανών κυττάρων, όπου οι μοριακοί κινητήρες χρησιμοποιούν ενέργεια για να παράγουν κίνηση.
Οι ερευνητές έχουν περάσει δεκαετίες προσπαθώντας να αναδημιουργήσουν τεχνητά αυτά τα αξιοσημείωτα βιολογικά συστήματα, και η πρόοδος σε αυτόν τον τομέα αναγνωρίστηκε με το Βραβείο Νόμπελ Χημείας το 2016.
Μια αρχαία εφεύρεση εμπνέει έναν μοριακό κινητήρα
Οι επιστήμονες ανέπτυξαν για πρώτη φορά μοριακούς κινητήρες που τροφοδοτούνται απευθείας με ηλεκτρική ενέργεια το 2011. Ωστόσο, εκείνα τα παλαιότερα σχέδια λειτουργούσαν πάνω σε επιφάνειες και βασίζονταν στην ακίδα ενός μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας για να κατευθύνουν την κίνησή τους.
Ο νέος κινητήρας ακολουθεί μια διαφορετική προσέγγιση, δανειζόμενος τον βασικό σχεδιασμό του από τον κοχλία του Αρχιμήδη, μια από τις παλαιότερες καταγεγραμμένες μηχανές στην ιστορία. Αυτή η απλή συσκευή, η οποία χρησιμοποιούνταν παραδοσιακά για τη μεταφορά νερού προς τα πάνω, βασίζεται σε μια περιστρεφόμενη σπείρα για τη μετακίνηση υλικών.
Οι ερευνητές προσάρμοσαν αυτή την αρχή στη μοριακή κλίμακα. Αντί για τη μεταφορά νερού, ο σχεδιασμός τους επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να ταξιδεύουν μέσα από ένα μόριο σε σχήμα σπείρας, αναγκάζοντάς το να περιστρέφεται καθώς περνά από μέσα του το ηλεκτρικό ρεύμα.
Ένας μικροσκοπικός μοριακός κοχλίας «αιωρείται» ανάμεσα σε χρυσές ακίδες
Το κεντρικό εξάρτημα του κινητήρα είναι ένα ειδικά σχεδιασμένο σπειροειδές μόριο, το οποίο δημιουργήθηκε από την ερευνητική ομάδα του καθηγητή Michael Pittelkow στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης. Με μέγεθος μόλις λίγα εκατομμυριοστά του χιλιοστού, το μόριο αυτό μπορεί να προσκολληθεί σε επιφάνειες χρυσού μέσω ατόμων θείου.
Στο Ινστιτούτο Επιστημών Weizmann στο Ισραήλ, ερευνητές με επικεφαλής τον καθηγητή Oren Tal και τον δρα Anil Kumar Singh τοποθέτησαν μεμονωμένα μόρια ανάμεσα σε δύο χρυσές ακίδες, ακονισμένες σε ατομικές διαστάσεις.
Μεταβάλλοντας προσεκτικά την απόσταση μεταξύ αυτών των ηλεκτροδίων, η ομάδα μπορούσε να τεντώσει ή να συμπιέσει τον μοριακό κοχλία. Όταν οι επιστήμονες εφάρμοσαν ηλεκτρική τάση, οι μετρήσεις αποκάλυψαν ότι το μόριο άρχισε να περιστρέφεται. Το ακόμη πιο σημαντικό είναι ότι μπορούσαν να αντιστρέψουν την κατεύθυνσή του, αλλάζοντας απλώς την πολικότητα της τάσης.
Αυτό αποτελεί την πρώτη επίδειξη ενός μοριακού κινητήρα ο οποίος κινείται με ηλεκτρικό ρεύμα, είναι σταθερά συνδεδεμένος με δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια και έχει τη δυνατότητα να περιστρέφεται προς μια ελεγχόμενη κατεύθυνση.
Πώς το ηλεκτρικό ρεύμα αναγκάζει ένα μόνο μόριο να περιστρέφεται
Η κινητήριος δύναμη προέρχεται απευθείας από τα ηλεκτρόνια που ταξιδεύουν μέσα από το σπειροειδές μόριο. Καθώς κινούνται, μεταφέρουν στροφορμή στη μοριακή δομή, προκαλώντας περιστροφή με παρόμοιο τρόπο που ο κινούμενος αέρας γυρίζει μια ανεμογεννήτρια.
Το σχήμα της σπείρας καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο ανταποκρίνεται σε αυτή τη ροή, παρόμοια με τη διαφορά ανάμεσα σε βίδες με δεξιόστροφο ή αριστερόστροφο σπείρωμα. Μόλις η εφαρμοζόμενη τάση ξεπεράσει ένα συγκεκριμένο όριο, η κίνηση μετατρέπεται σε συνεχή περιστροφή.
Ωστόσο, τα πειράματα αποκάλυψαν ακόμη ένα ενδιαφέρον φαινόμενο. Το περιστρεφόμενο μόριο διοχέτευε τον ηλεκτρισμό πολύ πιο αποτελεσματικά από ό,τι όταν ήταν ακίνητο, εγείροντας ένα σημαντικό ερώτημα σχετικά με το τι ακριβώς συνέβαινε στο εσωτερικό της μικροσκοπικής μηχανής.
Οι επιστήμονες ανακαλύπτουν μια εντυπωσιακή, 100πλάσια αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας
Για να διερευνήσουν αυτή την απροσδόκητη συμπεριφορά, ο καθηγητής δρ Fabian Pauly και οι διδακτορικοί του φοιτητές Léon Martin και Yuta Ito, εργαζόμενοι στην Έδρα Θεωρητικής Φυσικής Ι του Πανεπιστημίου του Άουγκσμπουργκ, χρησιμοποίησαν κβαντομηχανικές προσομοιώσεις στον υπερυπολογιστή LiCCA.
Οι υπολογισμοί τους αποκάλυψαν μια στενή σχέση μεταξύ της περιστροφής του μορίου και της ικανότητάς του να άγει ηλεκτρικό ρεύμα. Η αγωγιμότητα μεταβάλλεται δραματικά ανάλογα με τη γωνία του μορίου, παρουσιάζοντας αύξηση έως και κατά δύο τάξεις μεγέθους, δηλαδή 100 φορές, κατά τη διάρκεια της περιστροφής.
Η αιτία αποδείχθηκε ιδιαίτερα εκπληκτική. Ορισμένες από τις μοριακές θέσεις που επιτρέπουν στον ηλεκτρισμό να περάσει πιο εύκολα είναι επίσης θέσεις τις οποίες το μόριο αποφεύγει φυσικά όταν δεν κινείται.
Η περιστροφή καθιστά προσβάσιμες αυτές τις διατάξεις υψηλής αγωγιμότητας.
«Το εκπληκτικό είναι ότι ακριβώς οι θέσεις τις οποίες αποφεύγει το μόριο όταν βρίσκεται σε ηρεμία είναι εκείνες που άγουν καλύτερα τον ηλεκτρισμό. Μόνο η περιστροφή καθιστά αυτές τις θέσεις προσβάσιμες», εξηγεί ο Léon Martin.
Το εύρημα αυτό αποδεικνύει ότι η μοριακή κίνηση κάνει κάτι περισσότερο από το να καταναλώνει απλώς ηλεκτρική ενέργεια. Η ίδια η κίνηση μπορεί να επηρεάσει έντονα τον τρόπο με τον οποίο το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσα από τη μηχανή.
Διεθνής συνεργασία λύνει το μυστήριο
Στη συνέχεια, οι ερευνητές συνεργάστηκαν με τους θεωρητικούς φυσικούς Per Hedegård από το Ινστιτούτο Niels Bohr στην Κοπεγχάγη και Jing-Tao Lü από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας Huazhong στην Ουχάν.
Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, οι επιστήμονες ανέπτυξαν ένα απλοποιημένο θεωρητικό μοντέλο που αναπαρήγαγε με επιτυχία τόσο την περιστροφή που παρατηρήθηκε στα πειράματα όσο και τη συνοδευτική αύξηση του ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτός ο συνδυασμός πειραματικών μετρήσεων και θεωρητικών υπολογισμών ήταν απαραίτητος για την κατανόηση του μηχανισμού. Αν και οι ερευνητές μπορούσαν να μετρήσουν το ρεύμα που περνούσε μέσα από το μόριο, χρειάζονταν προσομοιώσεις για να προσδιορίσουν τι συνέβαινε σε αυτή την εξαιρετικά μικρή κλίμακα.
«Στο πείραμα, βλέπεις μόνο το ρεύμα. Οι υπολογισμοί μας μάς επιτρέπουν να ρίξουμε μια ματιά στο τι συμβαίνει μέσα στη νανοεπαφή. Μόνο μέσω της στενής συνεργασίας μεταξύ πειράματος και θεωρίας σε διάφορες χώρες κατέστη εφικτό να λυθεί το μυστήριο της αύξησης του ρεύματος», λέει ο Yuta Ito, διδακτορικός φοιτητής με καταγωγή από την Ιαπωνία.
Ένα νέο σύνορο για τα μοριακά ηλεκτρονικά
Το επίτευγμα αυτό θα μπορούσε τελικά να συμβάλει στην ανάπτυξη μοριακών ηλεκτρονικών εξαρτημάτων και τεχνολογιών που σχετίζονται με τη σπιντρονική (spintronics), η οποία χρησιμοποιεί ιδιότητες των ηλεκτρονίων πέρα από το ηλεκτρικό τους φορτίο.
Ενδέχεται επίσης να προσφέρει νέες δυνατότητες για μικρορευστονικά συστήματα (microfluidic systems), τα οποία διαχειρίζονται εξαιρετικά μικρές ποσότητες ρευστών. Πέρα από αυτές τις πιθανές εφαρμογές, ο κινητήρας παρέχει στους επιστήμονες έναν νέο τρόπο να διερευνήσουν φυσικές διεργασίες σε ατομική κλίμακα.
Η ικανότητά του να μετατρέπει τον ηλεκτρισμό σε ελεγχόμενη περιστροφή, επιτρέποντας παράλληλα σε αυτή την περιστροφή να επηρεάζει το ηλεκτρικό ρεύμα, εισάγει μια νέα αρχή για τον σχεδιασμό εξαιρετικά μικρών μηχανών.
«Δείξαμε ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία μιας κατευθυνόμενης περιστροφής και ότι αυτή η περιστροφή, με τη σειρά της, ελέγχει το ρεύμα. Πρόκειται για μια νέα αρχή λειτουργίας για μηχανές στα απώτατα όρια της σμίκρυνσης», εξηγεί ο Pauly.
Το έργο στο Πανεπιστήμιο του Άουγκσμπουργκ έλαβε χρηματοδότηση από το Γερμανικό Ίδρυμα Ερευνών (DFG) μέσω του Κέντρου Συνεργατικής Έρευνας (SFB) 1585 (αριθμός έργου 492723217).
Η υπολογιστική έρευνα διεξήχθη με τη χρήση του υπερυπολογιστή LiCCA του Πανεπιστημίου του Άουγκσμπουργκ (αριθμός έργου DFG 499211671). Πρόσθετη υποστήριξη για τα συνεργαζόμενα ιδρύματα προήλθε από το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας (ERC, Horizon 2020, Επιχορήγηση 864008), το Ισραηλινό Ίδρυμα Επιστημών (2129/23), το Ίδρυμα Minerva, το Ίδρυμα Villum, το Ίδρυμα Novo Nordisk, το Ανεξάρτητο Ταμείο Ερευνών της Δανίας (DFF), το Εθνικό Πρόγραμμα Έρευνας και Ανάπτυξης της Κίνας και το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας.