ساخت موتور مولکولی بر پایه پیچ ارشمیدس؛ چرخش مکانیکی با جریان الکتریکی و جهش رسانایی

تیمی بین‌المللی از فیزیک‌دانان موفق به ساخت موتوری در ابعاد نانو از یک تک‌مولکول مارپیچ شده‌اند که با قرار گرفتن در معرض جریان الکتریکی شروع به چرخیدن می‌کند. این دستاورد که در نشریه نیچر گزارش شده، نشان می‌دهد چرخش مداوم این ساختار کانال‌های کوانتومی پنهانی را فعال می‌کند که رسانایی الکتریکی مولکول را تا صد برابر ارتقا می‌دهند.[1][2]

طراحی این نانوموتور مستقیماً از «پیچ ارشمیدس» الهام گرفته شده است؛ سازوکار کهنی در مهندسی که برای انتقال آب به ارتفاع بالاتر ابداع شده بود. در نسخه مولکولی، ساختار مارپیچ به جای جابه‌جایی مایعات، جریان الکترون‌ها را هدایت می‌کند و همین شارژ الکتریکی عبوری، کل پیکره مولکول را به چرخش وا می‌دارد.[2][3]

اگرچه موتورهای مولکولی الکتریکی از سال ۲۰۱۱ ساخته شده‌اند، نمونه‌های اولیه همگی روی سطوح محدود بودند و برای تحریک حرکت به نوک میکروسکوپ تونلی روبشی نیاز داشتند. سامانه تازه نخستین موتور مولکولی جریان‌محور با جهت چرخش مهارپذیر است که با استحکام کامل میان دو الکترود فلزی بسته شده است.[3][4]

این دستاورد مبنایی فیزیکی برای رایانه‌های مولکولی فوق‌سریع، حسگرهای نانومقیاس بدون سایش و ادوات حافظه اسپینترونیک فراهم می‌کند؛ دستگاه‌هایی که در بنیادین‌ترین مرز مینیاتورسازی کار خواهند کرد. با اثبات اتصال‌پذیری و کنترل مکانیکی مستقیم یک تک‌مولکول از طریق الکترودهای رایج، شکافی اساسی در نانوفناوری پر شده است.[1][3]

سیم‌کشی یک تک‌مولکول

هسته اصلی این موتور یک مولکول آلی مارپیچ با مهندسی ویژه است که درازای آن تنها به چند میلیونیوم میلی‌متر می‌رسد. این ساختار در دانشگاه کپنهاگ سنتز شده و در هر دو انتهای خود به اتم‌های گوگرد مجهز است تا پیوندی استوار با سطوح طلا برقرار کند.[3][4]

برای ارزیابی مکانیسم، فیزیک‌دانان تجربی در موسسه علوم وایزمن اسرائیل تک‌مولکول‌ها را میان دو نوک تیز از جنس طلا در ابعاد اتمی معلق کردند. این گروه در دمای نزدیک به صفر مطلق، با دقت بالا فاصله دو الکترود را دستکاری کردند تا پیچ مولکولی را فشرده ساخته یا بکشند.[1][3]

با اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی در محل اتصال، دانشمندان جهش‌های چرخه‌ای متناوبی را در جریان عبوری از مولکول ثبت کردند. این گام‌های پیاپی نشان دادند که مولکول در جهتی مشخص می‌چرخد و نیروی محرکه آن منحصراً از انرژی الکتریکی عبوری تأمین می‌شود.[1][5]

جهت چرخش کاملاً پایدار بود و به‌روشنی توسط ویژگی دست‌سانی (کایرالیته) ذاتی مولکول تعیین می‌شد، یعنی راست‌گرد یا چپ‌گرد بودن پیچش اولیه آن. علاوه بر این، پژوهشگران دریافتند که صرفاً با معکوس کردن قطبیت ولتاژ اعمال‌شده، می‌توان جهت چرخش موتور را وارونه کرد.[3][4]

باد الکتریکی

سازوکار رانش به انتقال تکانه زاویه‌ای از الکترون‌ها به ساختار کالبدی مولکول متکی است. عبور الکترون‌ها از مسیر حلزونی شباهت زیادی به وزش باد بر پره‌های یک توربین دارد و با اعمال تکانه، مولکول را به پیش می‌راند.[2][3]

پس از رسیدن ولتاژ به آستانه‌ای معین، گام‌های گسسته و پله‌ای مولکول ناگهان جای خود را به چرخش پیوسته می‌دهند. درست در همین نقطه بحرانی بود که پژوهشگران شاهد جهشی چشمگیر و غیرخطی در کل جریان الکتریکی عبوری از پیوندگاه شدند.[1][3]

پروفسور فابیان پائولی از دانشگاه آوگسبورگ که هدایت مدل‌سازی نظری را بر عهده داشت توضیح می‌دهد: «ما نشان دادیم که می‌توان از جریان الکتریکی برای چرخش هدفمند استفاده کرد و این چرخش به نوبه خود جریان را مهار می‌کند. این رویکرد، اصول کارکردی نوینی برای ماشین‌ها در مرزهای نهایی کوچک‌سازی است.»[3]

برای درک چرایی رسانایی بسیار بالاتر مولکول چرخان نسبت به حالت سکون، فیزیک‌دانان نظری شبیه‌سازی‌های مکانیک کوانتومی را روی ابررایانه LiCCA پیاده کردند. محاسبات ثابت کرد که میزان رسانایی الکتریکی به زاویه چرخش مولکول وابستگی عمیقی دارد.[3][4]

رسانایی تقویت‌شده با چرخش

یک مولکول مارپیچ در حالت سکون به شکل طبیعی در وضعیتی قرار می‌گیرد که از نظر انرژی کمترین تنش را داشته باشد؛ اما این ساختارهای پایدار ذاتاً رسانای الکتریکی ضعیفی هستند. چرخش پیوسته مولکول را وادار می‌کند از پیکربندی‌هایی عبور کند که از نظر مدارهای کوانتومی به شدت رسانا هستند اما در شرایط سکون دور از دسترس می‌مانند.[1][3]

لئون مارتین، پژوهشگر دوره دکتری در دانشگاه آوگسبورگ می‌گوید: «نکته شگفت‌آور این است که دقیقاً همان موقعیت‌هایی که مولکول در حالت استراحت از آن‌ها پرهیز می‌کند، بیشترین جریان را عبور می‌دهند؛ تنها به کمک چرخش است که دسترسی به این حالت‌ها میسر می‌شود.»[3]

این پدیده با نام «رسانایی تقویت‌شده با چرخش» شناخته می‌شود و در عمل، تک‌مولکول را به کلیدی مکانیکی تبدیل می‌کند که قطعات متحرک سنتی در آن وجود ندارد. از آنجا که خود مولکول قطعه متحرک محسوب می‌شود، دستگاه در زمان چرخش تا دو مرتبه بزرگی رساناتر از هنگام سکون عمل می‌کند.[1][3]

همکاران بخش نظری در موسسه نیلز بور و دانشگاه علم و صنعت هوآژونگ مدلی ساده‌تر تدوین کردند که افزایش جریان رصدشده در آزمایش را با دقت شبیه‌سازی کرد. این مدل نشان داد نیروهای ناشی از جریان، آبشاری از رویدادها پدید می‌آورند که رسانایی کل سامانه را تقویت می‌کند.[1][3]

کاربردهای آینده در مقیاس نانو

یوتا ایتو، دانشجوی دکتری دخیل در پروژه می‌افزاید: «در آزمایش تنها خروجی جریان قابل سنجش است. محاسبات به ما امکان داد درون این اتصال نانومتری را ببینیم. تنها از مسیر همکاری نزدیک میان تیم‌های تجربی و نظری چند کشور بود که معمای جهش جریان رمزگشایی شد.»[3]

مهار جهت چرخش در کنار بهره‌برداری از رسانایی ناشی از گردش، افق‌های تازه‌ای برای توسعه اجزای الکترونیک مولکولی می‌گشاید. پژوهشگران پیش‌بینی می‌کنند این معماری را می‌توان سرانجام در ادوات اسپینترونیک به کار بست، جایی که اسپین الکترون وظیفه ذخیره و پردازش داده‌ها را عهده‌دار است.[3][5]

فراتر از قلمرو رایانه‌ها، پیچ ارشمیدسی مولکولی ابزاری نوآورانه برای بررسی فرآیندهای فیزیکی و واکنش‌های شیمیایی در مقیاس اتمی است. تبدیل قابل اتکای انرژی الکتریکی به کار مکانیکی، دانش بشر را به بازآفرینی ماشین‌های مولکولی پیچیده موجود در سلول‌های زنده نزدیک‌تر می‌کند.[2][3]

تیم پژوهشی اکنون در پی بررسی این مسئله است که چگونه هندسه‌های متفاوت مولکولی و الکترودهایی با ترکیبات متنوع می‌توانند راندمان این موتور را بهینه‌تر کنند. با تکامل نانوفناوری، این ماشین‌های رانده‌شده با جریان می‌توانند ساختار بنیادین نسل آینده ادوات بسیار فشرده را شکل دهند.[1][3]