Учёные разработали необычный молекулярный мотор, который вращается при прохождении через него электрического тока. Вдохновлённая древним изобретением крошечная машина способна даже менять направление вращения при смене полярности напряжения.
В основе нового мотора лежит принцип винта Архимеда, одной из древнейших известных машин. Это простое устройство, традиционно используемое для подъёма воды в гору, основано на принципе работы вращающейся спирали, которая обеспечивает транспортировку материала.
Исследователи перенесли эту идею на молекулярный масштаб. Вместо перемещения воды в их конструкции электроны проходят через спиральную молекулу, заставляя её вращаться под действием электрического тока.
Центральный компонент мотора представляет собой специально разработанную спиральную молекулу, созданную группой профессора Майкла Питтелькова из Копенгагенского университета. Её длина составляет всего несколько миллионных долей миллиметра, а благодаря атомам серы молекула может прикрепляться к золотым поверхностям.
В Институте Вейцмана в Израиле исследователи под руководством профессора Орена Таля и доктора Анила Кумара Сингха размещали отдельные молекулы между двумя золотыми электродами с концами атомарных размеров. Изменяя расстояние между электродами, они могли растягивать или сжимать молекулярный «винт».
Когда учёные прикладывали электрическое напряжение, измерения показывали, что молекула начинала вращаться. Более того, направление вращения можно было изменить, просто поменяв полярность напряжения. Непосредственно учёные не видели само вращение, а измеряли ток и наблюдали характерные циклические переходы между состояниями проводимости. То, что эти переходы соответствуют вращению, поддерживается квантово‑механическими расчётами и моделью потенциального рельефа
Это первая демонстрация молекулярного мотора, приводимого в действие электрическим током, прочно соединённого с двумя металлическими электродами и способного вращаться в контролируемом направлении. Движущая сила непосредственно создаётся электронами, проходящими через спиральную молекулу. При движении они передают молекулярной структуре угловой момент и создают вращение, подобно тому как поток воздуха вращает турбину. Когда приложенное напряжение превышает определённый порог, движение переходит в непрерывное вращение.
Вращающаяся молекула проводила электрический ток значительно эффективнее, чем неподвижная, что поставило перед исследователями вопрос о причинах такого поведения.
Расчёты показали тесную связь между вращением молекулы и её способностью проводить ток. Проводимость сильно зависит от угла поворота молекулы и во время вращения может увеличиваться на два порядка, то есть примерно в 100 раз.
Причина оказалась особенно неожиданной. Некоторые положения молекулы, в которых электрический ток проходит легче всего, одновременно являются состояниями, которых молекула естественным образом избегает в покое. Вращение делает эти высокопроводящие конфигурации доступными.
Источник: habr.com