پیچ ارشمیدس الهام بخش موتور تک مولکولی است که توسط جریان الکتریکی تغذیه می شود

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

ماشین های مولکولی به عنوان گام بعدی در کوچک سازی در نظر گرفته می شوند. مدل‌های آن‌ها را می‌توان در سلول‌های زنده یافت، جایی که موتورهای مولکولی انرژی را تبدیل و حرکت تولید می‌کنند. دانشمندان ده ها سال است که برای تکثیر مصنوعی چنین سیستم هایی کار کرده اند. جایزه نوبل شیمی 2016 برای این تحقیق اعطا شد.

موتورهای مولکولی که مستقیما توسط جریان الکتریکی کار می‌کنند از سال 2011 وجود داشته‌اند. با این حال، تا کنون فقط به عنوان مولکول روی سطح عمل می‌کردند که توسط نوک یک میکروسکوپ تونلی روبشی هدایت می‌شد.

برای دستگاه جدید خود، محققان از یکی از قدیمی ترین ماشین های مستند بشریت الهام گرفتند: پیچ ارشمیدس، که آب را به سربالایی منتقل می کند. محققان اصل پیچ ارشمیدس را در سطح مولکولی به کار بردند. به جای آب، الکترون ها از طریق یک ساختار مارپیچ جریان می یابند و آن را در چرخش قرار می دهند.

این تحقیق در مجله Nature منتشر شده است.

در قلب این دستگاه یک مولکول مارپیچ قرار دارد که به طور خاص برای مطالعه توسط تیم پروفسور مایکل پیتلکو در دانشگاه کپنهاگ تولید شده است. این مولکول که تنها چند میلیونم میلی متر است، می تواند از طریق اتم های گوگرد به سطوح طلا متصل شود.

در مؤسسه علوم ویزمن در اسرائیل، تیمی به رهبری پروفسور اورن تال و دکتر آنیل کومار سینگ، مولکول‌های فردی را بین دو نوک طلای ظریف اتمی کشاندند. با تنظیم دقیق فاصله بین الکترودها، محققان توانستند پیچ ​​مولکولی را کشیده یا فشرده کنند.

سپس اندازه‌گیری‌ها نشان داد که مولکول هنگام اعمال ولتاژ می‌چرخد. جهت چرخش بدون ابهام بود و با تغییر قطبیت ولتاژ می توان آن را معکوس کرد. بنابراین، این مطالعه، برای اولین بار، یک موتور مولکولی جریان محور با جهت چرخش قابل کنترل را نشان می دهد که محکم به دو الکترود فلزی متصل است.

حرکت توسط خود الکترون ها هدایت می شود. همانطور که آنها از طریق مولکول مارپیچ جریان می یابند، حرکت زاویه ای را به آن منتقل می کنند، درست مانند حرکت باد یک توربین بادی. جهت توسط سیم پیچ مولکول تعیین می شود، درست مانند پیچ ​​با رزوه سمت راست یا چپ. بالاتر از یک ولتاژ مشخص، این حرکت به چرخش پیوسته تبدیل می شود.

اما چرا یک مولکول در حال چرخش به طور قابل توجهی بهتر از یک مولکول ساکن جریان الکتریکی را هدایت می کند؟ دکتر فابیان پاولی و دانشجویان دکترای او لئون مارتین و یوتا ایتو در کرسی فیزیک نظری I در دانشگاه آگسبورگ این سوال را با استفاده از شبیه‌سازی‌های مکانیکی کوانتومی در ابررایانه LiCCA بررسی کردند.

محاسبات آنها نشان داد که چرخش مولکول ارتباط نزدیکی با رسانایی آن دارد. رسانایی به شدت به زاویه چرخش مولکول بستگی دارد و می تواند در طول چرخش تا دو مرتبه قدر افزایش یابد.

مارتین توضیح می‌دهد: «نکته شگفت‌انگیز این است که دقیقا موقعیت‌هایی هستند که مولکول هنگام استراحت از آنها اجتناب می‌کند که الکتریسیته را به بهترین نحو هدایت می‌کنند. تنها چرخش است که این موقعیت‌ها را قابل دسترسی می‌کند.»

با تکیه بر این یافته‌ها، شرکای نظری Per Hedegård از موسسه نیلز بور در کپنهاگ و Jing-Tao Lü از دانشگاه علم و فناوری Huazhong در ووهان مدل ساده‌سازی شده‌ای را توسعه دادند که چرخش مشاهده شده تجربی و افزایش جریان را با موفقیت بازتولید کرد.

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 کشف پتانسیلی برای اجزای الکترونیکی مولکولی، کاربردها در اسپینترونیک و سیستم های میکروسیال دارد. علاوه بر این، چنین ماشین های مینیاتوری فرصت های جدیدی را برای تحقیق در مورد فرآیندهای فیزیکی در مقیاس اتمی ارائه می دهند.

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.

آنیل کومار سینگ و همکاران، ماشین مولکولی جریان محور با رسانایی تقویت‌شده با چرخش، طبیعت (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-11312-x

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →