دانشمندان پیچ ارشمیدس را به اندازه یک مولکول کوچک کردند

دانشمندان یک موتور مولکولی قابل توجه جدید ساخته اند که وقتی برق از آن عبور می کند می چرخد. این دستگاه کوچک با الهام از یک اختراع باستانی، حتی می‌تواند هنگام تغییر ولتاژ، جهت خود را معکوس کند. این دستاورد گامی مهم در جهت ایجاد ماشین‌های کار در کوچکترین مقیاس ممکن است.

ماشین های مولکولی به طور گسترده ای به عنوان یک مرز امیدوارکننده بعدی در کوچک سازی دیده می شوند. طبیعت نمونه‌هایی را در داخل سلول‌های زنده ارائه می‌کند، جایی که موتورهای مولکولی از انرژی برای تولید حرکت استفاده می‌کنند. محققان دهه ها تلاش کرده اند تا این سیستم های بیولوژیکی قابل توجه را به صورت مصنوعی بازسازی کنند و پیشرفت در این زمینه با جایزه نوبل شیمی 2016 شناخته شد.

یک اختراع باستانی الهام بخش یک موتور مولکولی است

دانشمندان برای اولین بار در سال 2011 موتورهای مولکولی را توسعه دادند که مستقیما با برق کار می کردند. با این حال، آن طرح های قبلی روی سطوح کار می کردند و برای هدایت حرکت آنها به نوک یک میکروسکوپ تونلی روبشی متکی بودند.

موتور جدید رویکرد متفاوتی دارد و طراحی اولیه خود را از پیچ ارشمیدس، یکی از قدیمی‌ترین ماشین‌های ثبت شده در تاریخ، گرفته است. این دستگاه ساده که به طور سنتی برای جابجایی آب در سربالایی استفاده می‌شود، برای انتقال مواد به یک مارپیچ دوار متکی است.

محققان این اصل را با مقیاس مولکولی تطبیق دادند. به جای حرکت آب، طراحی آنها به الکترون ها اجازه می دهد تا از طریق یک مولکول مارپیچی شکل حرکت کنند و باعث چرخش آن در هنگام عبور جریان الکتریکی می شود.

یک پیچ مولکولی کوچک که بین سرهای طلا آویزان شده است

جزء مرکزی موتور یک مولکول مارپیچی با طراحی ویژه است که توسط گروه تحقیقاتی پروفسور مایکل پیتلکو در دانشگاه کپنهاگ ایجاد شده است. این مولکول با اندازه گیری تنها چند میلیونم میلی متر می تواند از طریق اتم های گوگرد به سطوح طلا بچسبد.

در مؤسسه علوم ویزمن در اسرائیل، محققان به رهبری پروفسور اورن تال و دکتر آنیل کومار سینگ، مولکول‌های منفرد را بین دو نوک طلا که به ابعاد اتمی تیز شده بودند، قرار دادند. با تغییر دقیق فاصله بین این الکترودها، تیم می تواند پیچ ​​مولکولی را کشیده یا فشرده کند.

زمانی که دانشمندان یک ولتاژ الکتریکی اعمال کردند، اندازه گیری ها نشان داد که مولکول شروع به چرخش کرد. حتی مهمتر از آن، آنها می توانند جهت آن را به سادگی با تغییر قطبیت ولتاژ معکوس کنند.

این اولین نمایش یک موتور مولکولی است که توسط جریان الکتریکی به حرکت در می‌آید، محکم به دو الکترود فلزی متصل می‌شود و می‌تواند در جهتی قابل کنترل بچرخد.

نیروی محرکه مستقیما از الکترون هایی می آید که از طریق مولکول مارپیچی حرکت می کنند. همانطور که حرکت می کنند، تکانه زاویه ای را به ساختار مولکولی منتقل می کنند و چرخشی را به همان شیوه ای ایجاد می کنند که هوای متحرک توربین بادی را می چرخاند.

شکل مارپیچ تعیین می کند که چگونه به این جریان واکنش نشان می دهد، مشابه تفاوت بین پیچ های دارای رزوه های راست یا چپ. هنگامی که ولتاژ اعمال شده از یک آستانه خاص فراتر رفت، حرکت تبدیل به چرخش پیوسته می شود.

اما آزمایش‌ها اثر جالب دیگری را نشان داد. مولکول در حال چرخش، الکتریسیته را بسیار مؤثرتر از زمانی که ساکن بود، هدایت می‌کرد، و این سؤال مهمی را در مورد آنچه در داخل دستگاه کوچک اتفاق می‌افتاد، ایجاد کرد.

دانشمندان یک اثر الکتریکی شگفت انگیز 100 برابری کشف کردند

برای بررسی این رفتار غیرمنتظره، پروفسور دکتر فابیان پاولی و دانشجویان دکترای او لئون مارتین و یوتا ایتو که در کرسی فیزیک نظری I در دانشگاه آگسبورگ کار می‌کردند، از شبیه‌سازی‌های مکانیکی کوانتومی بر روی ابررایانه LiCCA استفاده کردند.

محاسبات آنها رابطه نزدیکی بین چرخش مولکول و توانایی آن در حمل جریان الکتریکی را نشان داد. رسانایی بسته به زاویه مولکول به طور چشمگیری تغییر می کند و در طول چرخش تا دو مرتبه بزرگی یا 100 برابر افزایش می یابد.

دلیل مشخص شد که به ویژه تعجب آور است. برخی از موقعیت‌های مولکولی که به الکتریسیته اجازه می‌دهند راحت‌تر عبور کند، موقعیت‌هایی هستند که مولکول به طور طبیعی از آنها در زمانی که حرکت نمی‌کند اجتناب می‌کند. چرخش آن ترتیبات بسیار رسانا را در دسترس قرار می دهد.

لئون مارتین توضیح می‌دهد: «نکته شگفت‌انگیز این است که دقیقا موقعیت‌هایی هستند که مولکول هنگام استراحت از آن‌ها اجتناب می‌کند که الکتریسیته را به بهترین وجه هدایت می‌کنند. این تنها چرخش است که این موقعیت‌ها را در دسترس قرار می‌دهد.»

این یافته نشان می دهد که حرکت مولکولی بیش از صرف انرژی الکتریکی را مصرف می کند. خود حرکت می تواند به شدت بر نحوه جریان الکتریسیته در دستگاه تأثیر بگذارد.

همکاری بین المللی راز را حل می کند

سپس محققان با فیزیکدانان نظری Per Hedegård از موسسه نیلز بور در کپنهاگ و Jing-Tao Lü از دانشگاه علم و فناوری Huazhong در ووهان کار کردند.

با استفاده از نتایج شبیه‌سازی، دانشمندان یک مدل نظری ساده‌سازی کردند که با موفقیت هم چرخش مشاهده‌شده در آزمایش‌ها و هم افزایش همراه با آن در جریان الکتریکی را بازسازی کرد.

این ترکیبی از اندازه‌گیری‌های تجربی و محاسبات نظری برای درک مکانیسم ضروری بود. اگرچه محققان می‌توانستند جریان عبوری از مولکول را اندازه‌گیری کنند، اما به شبیه‌سازی‌هایی برای تعیین آنچه در چنین مقیاس بسیار کوچکی در حال وقوع است نیاز داشتند.

یوتا ایتو، دانشجوی دکترا که اصالتا ژاپنی است، می‌گوید: "در آزمایش، شما فقط جریان را می‌بینید. محاسبات ما به ما اجازه می‌دهد نگاهی اجمالی به آنچه در داخل نانوتماس می‌افتد را ببینیم. تنها از طریق همکاری نزدیک بین آزمایش و نظریه در چندین کشور بود که می‌توان معمای افزایش فعلی را حل کرد."

این دستاورد در نهایت می تواند به توسعه قطعات الکترونیکی مولکولی و فناوری های مربوط به اسپینترونیک کمک کند، که از خواص الکترون ها فراتر از بار الکتریکی آنها استفاده می کند. همچنین ممکن است امکاناتی را برای سیستم های میکروسیال ارائه دهد که مقادیر بسیار کمی از مایعات را دستکاری می کنند.

فراتر از این کاربردهای بالقوه، موتور روش جدیدی را برای بررسی فرآیندهای فیزیکی در مقیاس اتمی در اختیار دانشمندان قرار می دهد. توانایی آن برای تبدیل الکتریسیته به چرخش کنترل شده، در حالی که اجازه می دهد این چرخش بر جریان الکتریکی تأثیر بگذارد، یک اصل جدید را برای طراحی ماشین های فوق العاده کوچک معرفی می کند.

پالی توضیح می‌دهد: «ما نشان داده‌ایم که می‌توان از جریان الکتریکی برای ایجاد یک چرخش جهت‌دار استفاده کرد و این چرخش، به نوبه‌ی خود، جریان را کنترل می‌کند. این یک اصل عملیاتی جدید برای ماشین‌هایی است که در محدوده کوچک‌سازی قرار دارند.

کار در دانشگاه آگسبورگ از بنیاد تحقیقات آلمان (DFG) از طریق مرکز تحقیقات مشارکتی (SFB) 1585 (شماره پروژه 492723217) بودجه دریافت کرد. تحقیق محاسباتی با استفاده از ابررایانه LiCCA دانشگاه آگسبورگ (پروژه DFG شماره 499211671) انجام شد.

حمایت های اضافی از موسسات همکار از سوی شورای تحقیقات اروپا (ERC، Horizon 2020، گرنت 864008)، بنیاد علمی اسرائیل (2129/23)، بنیاد Minerva، بنیاد Villum، بنیاد Novo Nordisk، صندوق تحقیقات مستقل دانمارک (DFF)، بنیاد ملی تحقیقات و توسعه ملی چین و برنامه ملی علوم طبیعی چین، و بنیاد علمی توسعه ملی چین انجام شد.

مواد ارائه شده توسط دانشگاه آگسبورگ. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.

آیا زهره ماه خودش را خورد؟ دانشمندان یک احتمال تکان دهنده را کشف کردند

فسیل های 237 میلیون ساله دوزیستی را نشان می دهد که نباید وجود می داشت

مغز بیش از آنچه دانشمندان فکر می‌کردند، قادر به درمان است

دانشمندان مولکول‌هایی را کشف کردند که تا به حال ندیده‌ایم با پتانسیل مبارزه با سرطان