Ученые раскрутили винт Архимеда, состоящий из одной молекулы

Физики из Института Вейцмана с коллегами создали мотор из одной молекулы. Вместо воды, которую использовал Архимед, ученые для вращения винта использовали электрический ток.

Молекулярные машины работают во всех живых клетках, где такие моторы превращают энергию в движение. За создание искусственных аналогов в 2016 году была присуждена Нобелевская премия по химии. Моторы, которые питает непосредственно электрический ток, существуют с 2011 года, но до сих пор это были молекулы на поверхности материала, приводимые в движение иглой сканирующего туннельного микроскопа.

Авторы новой работы, опубликованной в журнале Nature, взяли за образец одну из древнейших машин – винт Архимеда, поднимающий воду вверх. Только вместо воды по спиральной молекуле течет поток электронов.

Устройство мотора предельно просто, если не учитывать, что речь идет о сборке из отдельных молекул. Его ротор – это специально синтезированная молекула гелицена: цепочка ароматических колец, соединенных под "углом". Молекула закручивается в спираль – правую или левую, как резьба винта. На концах спирали стоят атомы серы, которые прочно связываются с золотом. Статор заменяют два золотых острия толщиной в один атом. Одиночная молекула гелицена образует "винт" между атомами серы. Ось вращения проходит вдоль линии между остриями, а связь серы с атомом золота работает как шарнир. Острия служат и подшипниками, и проводами. Раздвигая их, можно растянуть или сжать молекулярную пружину.

Под напряжением молекула вращалась, причем направление вращения строго менялось при смене полярности. Это первый молекулярный мотор на токе с управляемым направлением вращения, закрепленный между двумя электродами. Электроны передают спирали момент импульса, а направление задает "резьба" молекулы.

Ученые смоделировали процесс на суперкомпьютере и показали, почему вращающаяся молекула проводит ток лучше неподвижной: проводимость сильно зависит от угла поворота и может вырасти на два порядка. Ученые отмечают: "Лучше всего проводят ток именно те положения, которых молекула в покое избегает. Только вращение делает их доступными. Мы показали, что электрический ток может порождать направленное вращение, а оно, в свою очередь, управляет током". Открытие может помочь развитию молекулярной электроники.