Επιστήμονες δημιούργησαν ένα μοριακό κινητήρα εμπνευσμένοι από τον κοχλία του Αρχιμήδη

Ερευνητική ομάδα κατασκεύασε έναν μοριακό κινητήρα που λειτουργεί με ηλεκτρική ενέργεια και είναι εμπνευσμένος από τον κοχλία του Αρχιμήδη, μια διάταξη που χρησιμοποιούνταν παραδοσιακά για την άντληση και ανύψωση νερού.

Στη νέα αυτή έρευνα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται μέσα από ένα σπειροειδές μόριο το οποίο βρίσκεται αιωρούμενο ανάμεσα σε δύο ηλεκτρόδια χρυσού προκαλώντας την περιστροφή του.

Οι ερευνητές αναφέρουν ότι ο κινητήρας μπορεί να περιστρέφεται και προς τις δύο κατευθύνσεις με τη φορά περιστροφής να ελέγχεται μέσω της μεταβολής της εφαρμοζόμενης ηλεκτρικής τάσης. Παρατήρησαν επίσης ότι η κίνησή του μπορεί να αυξήσει την ηλεκτρική αγωγιμότητα έως και 100 φορές. Το εύρημα αυτό θα μπορούσε να έχει σημασία για την ανάπτυξη μελλοντικών ηλεκτρονικών εξαρτημάτων σε μοριακή κλίμακα.

Πώς λειτουργεί ο μοριακός κινητήρας

Το βασικό εξάρτημα είναι ένα ειδικά σχεδιασμένο σπειροειδές μόριο το οποίο αναπτύχθηκε από ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου της Κοπεγχάγης. Είναι τόσο μικρό ώστε μπορεί να συνδεθεί με επιφάνειες χρυσού μέσω ατόμων θείου.

Ερευνητές από το Ινστιτούτο Επιστημών Weizmann τοποθέτησαν μεμονωμένα μόρια ανάμεσα σε δύο ακίδες χρυσού οι οποίες είχαν υποστεί ειδική επεξεργασία ώστε οι άκρες τους να έχουν διαστάσεις ατόμων.

Μεταβάλλοντας την απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων, η ερευνητική ομάδα μπορούσε να τεντώνει ή να συμπιέζει το μόριο, ενώ παράλληλα μετρούσε την ηλεκτρική συμπεριφορά της διάταξης. Τα ηλεκτρόνια που διέρχονταν μέσα από τη σπειροειδή δομή δεν χρησιμοποιούνταν μόνο για τη μελέτη της, αλλά και για την πρόκληση περιστροφικής κίνησης.

Η συγκεκριμένη τεχνολογία διαφέρει από παλαιότερους ηλεκτρικά τροφοδοτούμενους μοριακούς κινητήρες, οι οποίοι λειτουργούσαν πάνω σε επιφάνειες και βασίζονταν σε μια ακίδα μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας (scanning tunneling microscope) για την παροχή της κινητήριας αλληλεπίδρασης. Στη νέα διάταξη το ίδιο το μοριακό εξάρτημα αποτελεί μέρος ενός ηλεκτρικού κυκλώματος ανάμεσα στις δύο χρυσές επαφές.

Ηλεκτρική αγωγιμότητα που μεταβάλλεται με την κίνηση

Η μεταβολή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα ευρήματα της έρευνας.

Καθώς το μόριο περιστρέφεται, η ικανότητά του να μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα αλλάζει δραματικά. Σύμφωνα με την έρευνα η αγωγιμότητα μπορεί να αυξηθεί έως και 100 φορές συνδέοντας τη μηχανική κίνηση σε μοριακό επίπεδο με ένα μετρήσιμο ηλεκτρικό σήμα. Αυτή η αλληλεπίδραση είναι ιδιαίτερα σημαντική καθώς η μοριακή ηλεκτρονική επιδιώκει να αξιοποιήσει μεμονωμένα μόρια ως λειτουργικά στοιχεία ηλεκτρικών κυκλωμάτων.

Ένα μόριο που μπορεί να μεταβάλλει την ηλεκτρική του αγωγιμότητα ως απόκριση σε μια ελεγχόμενη κίνηση θα μπορούσε μελλοντικά να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη διακοπτών, αισθητήρων και άλλων εξαρτημάτων, πολύ μικρότερων από εκείνα που βασίζονται στις συμβατικές τεχνολογίες ημιαγωγών.

Ωστόσο η συγκεκριμένη έρευνα δεν θα πρέπει να θεωρηθεί ως άμεσο βήμα προς την εμπορική παραγωγή τέτοιων ηλεκτρονικών συσκευών. Το πείραμα πραγματοποιείται με ειδικά προετοιμασμένες διατάξεις μεμονωμένων μορίων και ηλεκτρόδια χρυσού υπό ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες.

Παρόλα αυτά αποδεικνύει την ύπαρξη ενός ελεγχόμενου μηχανισμού στον οποίο η ηλεκτρική είσοδος προκαλεί την περιστροφή ενός μορίου και η διαμόρφωση που προκύπτει επηρεάζει την ηλεκτρική μεταφορά.

Ένα βήμα προς την ανάπτυξη λειτουργικών μοριακών μηχανών

Οι μοριακές μηχανές αποτελούν εδώ και πολλά χρόνια έναν από τους σημαντικότερους στόχους των χημικών και των φυσικών που προσπαθούν να αναπαράγουν σε τεχνητά συστήματα, ορισμένες από τις λειτουργίες παραγωγής κίνησης που παρατηρούνται στα ζωντανά κύτταρα.

Οι βιολογικοί μοριακοί κινητήρες αξιοποιούν ενέργεια για να δημιουργήσουν κίνηση. Εδώ και δεκαετίες, οι επιστήμονες προσπαθούν να κατασκευάσουν συνθετικές εκδοχές τους, με συγκεκριμένη και ελεγχόμενη μηχανική συμπεριφορά.

Η αρχή λειτουργίας του κοχλία του Αρχιμήδη προσφέρει μια εύκολα κατανοητή αναλογία για τη νέα συσκευή. Στη μακροσκοπική του μορφή, ένας περιστρεφόμενος σπειροειδής μηχανισμός μεταφέρει νερό. Στη μοριακή κλίμακα, αντίθετα, η σπειροειδής δομή λειτουργεί ως διαδρομή μέσα από την οποία μπορούν να κινηθούν ηλεκτρόνια, ενώ η διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος συνδέεται με την περιστροφική κίνηση του μορίου.

Η δυνατότητα αντιστροφής της περιστροφής μέσω της αλλαγής της ηλεκτρικής τάσης προσφέρει έναν επιπλέον, ιδιαίτερα σημαντικό βαθμό ελέγχου. Η αντιστρεψιμότητα αυτή θα μπορούσε να αποδειχθεί καθοριστική για εφαρμογές στις οποίες μια μοριακή συσκευή πρέπει να μπορεί να μεταβαίνει μεταξύ περισσότερων από μία λειτουργικών καταστάσεων και όχι απλώς να ενεργοποιείται μία φορά.

Τα επόμενα βήματα

Απαιτείται περαιτέρω έρευνα προκειμένου να διαπιστωθεί πόσο αξιόπιστα μπορεί να αναπαραχθεί το συγκεκριμένο φαινόμενο, πώς συμπεριφέρεται σε μεγαλύτερο αριθμό συσκευών και κατά πόσο παρόμοιες σχεδιαστικές προσεγγίσεις μπορούν να λειτουργήσουν σε πρακτικές ηλεκτρονικές εφαρμογές. Το σημερινό εύρημα ωστόσο αποτελεί μια εντυπωσιακή επίδειξη ηλεκτρομηχανικού ελέγχου στην κλίμακα ενός μεμονωμένου μορίου.

Για τη μοριακή ηλεκτρονική, η έρευνα αναδεικνύει μια πιθανή νέα αρχή σχεδιασμού: να κατασκευάζεται η μοριακή δομή έτσι ώστε να εκτελεί η ίδια μηχανικό έργο και, στη συνέχεια, να αξιοποιείται η μεταβολή του σχήματός της για τον έλεγχο της ροής ηλεκτρικού φορτίου. Εάν αυτή η αρχή καταστεί δυνατό να εφαρμοστεί με αξιόπιστο και επαναλαμβανόμενο τρόπο, θα μπορούσε να συμβάλει στη γεφύρωση του χάσματος ανάμεσα στη μοριακή κίνηση και τη δημιουργία χρήσιμων ηλεκτρονικών λειτουργιών