Создан управляемый током молекулярный мотор на основе винта Архимеда

59 минуты назад 3

Международная группа исследователей разработала миниатюрную копию древнего водяного насоса размером с молекулу. Электрический ток приводит ее во вращение, а за счет этого движения сила тока увеличивается вплоть до 100 раз. Новый способ взаимосвязи механического движения и электричества в наномасштабе открывает дополнительные перспективы для молекулярной электроники.

Самые интересные технологические и научные новости выходят в нашем телеграм-канале Хайтек+. Подпишитесь, чтобы быть в курсе.

Ученые десятилетиями пытались создать искусственные молекулярные машины, вдохновляясь механизмами, которые обеспечивают движение внутри живых клеток. Однако добиться того, чтобы молекула предсказуемо вращалась под воздействием электрического тока, сохраняя при этом электрический контакт с металлическими электродами, удавалось далеко не всегда. Новое устройство демонстрирует вращение, управляемое напряжением, с абсолютной направленностью — и все это благодаря принципу, которому уже более 2000 лет.

«Мы показали, что электрический ток можно использовать для создания направленного вращения, а это вращение, в свою очередь, управляет током. Это новый принцип работы для механизмов, находящихся на пределе возможной миниатюризации», — отметил Фабиан Паули из Аугсбургского университета (Германия), один из авторов исследования.

За основу ученые взяли «архимедов винт» — древнее устройство, представляющее собой спиралевидный элемент внутри цилиндра, который при вращении поднимает воду (или твердые тела). В новой молекулярной машине электроны, проходя через аналогичную спиральную структуру, создают крутящий момент, заставляющий ее вращаться.

Вместо того чтобы использовать внешний механический инструмент для перемещения молекулы, движение здесь обеспечивается самим электрическим током. Центральным элементом такого «мотора» служит молекула (13)-гелицена с дитиоацетильными функциональными группами. Ее размер — всего несколько нанометров. Они может прикрепляться к золотым поверхностям посредством атомов серы.

Разместив молекулу между двумя золотыми электродами, исследователи пустили сквозь нее ток. Регулируя расстояние между наконечниками, молекулярную структуру можно растягивать или сжимать, тем самым меняя напряжение. При подаче напряжения молекула начинает совершать циклическое движение с четко выраженной направленностью.

Изменение полярности напряжения приводит к смене направления вращения. Таким образом, управлять движением «мотора» можно без какого-либо физического воздействия на него, пишет IE.

В основе движения лежат силы, порождаемые электрическим током: проходя через спиралевидную молекулу, электроны передают ей свой угловой момент. Направление вращения определяется хиральностью молекулы.

Попутно авторы исследования обнаружили неожиданный эффект: как только молекула начинала двигаться, сила тока резко возрастала. Моделирование на суперкомпьютере показало, что проводимость молекулы существенно зависит от угла ее поворота. В процессе вращения молекула может принимать такие конфигурации, при которых электронам становится гораздо легче перемещаться, что увеличивает проводимость на величину до двух порядков — примерно в 100 раз.

«Удивительно то, что именно те положения, которых молекула избегает в состоянии покоя, обеспечивают наилучшую электропроводность. Эти положения оказываются доступны только благодаря вращению», — пояснил Леон Мартин, аспирант Аугсбургского университета.

Полученные результаты могут помочь исследователям в разработке молекулярной электроники, спинтронных устройств, использующих спин электрона для обработки информации, а также миниатюрных систем для манипулирования жидкостями.

Исследователи из Австралии представили принципиально новый тип лопастного двигателя, в котором для создания движения используется капля жидкого металла, а не традиционные жесткие компоненты. Устройство генерирует вращение за счет вихревых потоков внутри капли, помещенной в солевой раствор и находящейся под действием электрического поля.

Источник