Foto: AI/ScienceDaily.com

Ve světě, kde se technologie neustále zmenšují, se vědcům podařilo dosáhnout něčeho, co by se dalo považovat za zázrak miniaturizace. Představte si stroj, který je tak malý, že ho nelze vidět pouhým okem, a přesto má schopnost měnit způsob, jakým vedeme elektrický proud. Tento stroj, inspirovaný starověkým vynálezem, je molekulární motor, který dokáže rotovat na povel a zvyšovat elektrickou vodivost až stonásobně.

Autor původního článku: redakce

Inspirace z dávné minulosti

V roce 2011 vědci poprvé vyvinuli molekulární motory poháněné přímo elektřinou. Tyto rané návrhy však fungovaly na površích a spoléhaly na hrot skenovacího tunelového mikroskopu k pohonu jejich pohybu. Nový motor přichází s odlišným přístupem, který si vypůjčuje svůj základní design z Archimédovy spirály, jednoho z nejstarších strojů v zaznamenané historii. Tradičně používaný k pohybu vody do kopce, tento jednoduchý přístroj spoléhá na rotující spirálu k transportu materiálu. Vědci adaptovali tento princip na molekulární úroveň. Místo pohybu vody jejich design umožňuje elektronům cestovat spirálovitě tvarovanou molekulou, což způsobuje její rotaci při průchodu elektrického proudu.

Jak funguje molekulární motor

Centrální složkou motoru je speciálně navržená spirálovitá molekula vytvořená výzkumnou skupinou profesora Michaela Pittelkowa na Univerzitě v Kodani. Molekula, měřící jen několik miliontin milimetru, se může připojit ke zlatým povrchům prostřednictvím atomů síry. Na Weizmannově institutu věd v Izraeli vědci pod vedením profesora Orena Tala a doktora Anila Kumara Singha umístili jednotlivé molekuly mezi dva zlaté hroty na atomové úrovni. Pečlivým měněním vzdálenosti mezi těmito elektrodami mohli tým molekulární spirálu natahovat nebo stlačovat. Když vědci aplikovali elektrické napětí, měření odhalila, že molekula začala rotovat. Ještě důležitější je, že mohli obrátit její směr jednoduše změnou polarity napětí. Toto představuje první demonstraci molekulárního motoru poháněného elektrickým proudem, pevně připojeného ke dvěma kovovým elektrodám a schopného rotovat v kontrolovatelném směru.

Elektrická energie jako hnací síla

Hnací síla pochází přímo z elektronů cestujících spirálovitou molekulou. Jak se pohybují, přenášejí úhlový moment na molekulární strukturu, což způsobuje rotaci podobně jako pohybující se vzduch otáčí větrnou turbínu. Tvar spirály určuje, jak reaguje na tento tok, podobně jako rozdíl mezi šrouby s pravotočivým nebo levotočivým závitem. Jakmile aplikované napětí překročí určitou hranici, pohyb se stává kontinuální rotací. Ale experimenty odhalily další zajímavý efekt. Rotující molekula vedla elektřinu mnohem efektivněji než když byla stacionární, což vyvolalo důležitou otázku, co se děje uvnitř tohoto malého stroje.

Překvapivý efekt stonásobného zvýšení vodivosti

Aby prozkoumali toto neočekávané chování, profesor Dr. Fabian Pauly a jeho doktorandi Léon Martin a Yuta Ito, pracující na Katedře teoretické fyziky I na Univerzitě v Augsburgu, použili kvantově mechanické simulace na superpočítači LiCCA. Jejich výpočty odhalily úzký vztah mezi rotací molekuly a její schopností přenášet elektrický proud. Vodivost se dramaticky mění v závislosti na úhlu molekuly, zvyšuje se až o dva řády, tedy 100krát, během rotace. Důvod se ukázal být obzvláště překvapivý. Některé z molekulárních pozic, které umožňují elektřině procházet nejjednodušeji, jsou také pozice, kterým se molekula přirozeně vyhýbá, když se nepohybuje. Rotace činí tyto vysoce vodivé uspořádání přístupnými.

„Překvapivé je, že právě pozice, kterým se molekula vyhýbá v klidu, vedou elektřinu nejlépe. Je to pouze rotace, která tyto pozice zpřístupňuje,“ vysvětluje Léon Martin. Tento objev ukazuje, že molekulární pohyb nedělá jen spotřebu elektrické energie. Pohyb sám může silně ovlivnit, jak elektřina proudí skrze stroj.

Mezinárodní spolupráce odhaluje tajemství

Vědci poté spolupracovali s teoretickými fyziky Perem Hedegårdem z Niels Bohr Institute v Kodani a Jing-Tao Lü z Huazhong University of Science and Technology ve Wuhanu. Pomocí výsledků simulací vědci vyvinuli zjednodušený teoretický model, který úspěšně zrekonstruoval jak rotaci pozorovanou v experimentech, tak doprovodné zvýšení elektrického proudu. Tato kombinace experimentálních měření a teoretických výpočtů byla zásadní pro pochopení mechanismu. Ačkoliv vědci mohli měřit proud procházející molekulou, potřebovali simulace, aby zjistili, co se děje na tak mimořádně malé úrovni. „V experimentu vidíte pouze proud. Naše výpočty nám umožňují nahlédnout, co se děje uvnitř nanokontaktu. Bylo to pouze díky úzké spolupráci mezi experimentem a teorií napříč několika zeměmi, že se tajemství zvýšení proudu podařilo vyřešit,“ říká Yuta Ito, doktorand původem z Japonska.

Nová hranice pro molekulární elektroniku

Tento úspěch by mohl nakonec přispět k rozvoji molekulárních elektronických komponentů a technologií zahrnujících spintroniku, která využívá vlastnosti elektronů nad rámec jejich elektrického náboje. Může také nabídnout možnosti pro mikrofluidní systémy, které manipulují s extrémně malými množstvími tekutin. Kromě těchto potenciálních aplikací poskytuje motor vědcům nový způsob, jak zkoumat fyzikální procesy na atomové úrovni. Jeho schopnost přeměnit elektřinu na kontrolovanou rotaci, zatímco tato rotace ovlivňuje elektrický proud, zavádí nový princip pro návrh mimořádně malých strojů. „Ukázali jsme, že elektrický proud může být použit k vytvoření řízené rotace a že tato rotace naopak kontroluje proud. To je nový provozní princip pro stroje na samé hranici miniaturizace,“ vysvětluje Pauly.

Práce na Univerzitě v Augsburgu byla financována Německou výzkumnou nadací (DFG) prostřednictvím Spolupracujícího výzkumného centra (SFB) 1585 (projektové číslo 492723217). Výpočetní výzkum byl proveden pomocí superpočítače LiCCA na Univerzitě v Augsburgu (DFG projektové číslo 499211671). Další podpora pro spolupracující instituce přišla od Evropské výzkumné rady (ERC, Horizon 2020, Grant 864008), Izraelské vědecké nadace (2129/23), Minervy Foundation, Villum Foundation, Novo Nordisk Foundation, Nezávislého výzkumného fondu Dánska (DFF), Národního klíčového výzkumného a vývojového programu Číny a Národní přírodní vědecké nadace Číny.