Arkhimedeen ruuvi yhdestä molekyylistä

Kansainvälinen fyysikkoryhmä on ensimmäistä kertaa kehittänyt molekyylisen "koneen", joka perustuu Arkhimedeen ruuvin periaatteeseen. Kierukkamaista molekyyliä pyöritetään sähkövirralla. Kun pyöriminen saavuttaa tietyn nopeuden, virta kasvaa äkillisesti jopa satakertaiseksi.

Suoraan sähkövirralla toimivia molekyylimoottoreita on ollut olemassa vuodesta 2011 lähtien. Tähän asti ne ovat kuitenkin toimineet vain pinnalla olevina molekyyleinä, joita ohjaa pyyhkäisytunnelointimikroskoopin kärki.

Uutta konettaan varten tutkijat saivat inspiraationsa yhdestä ihmiskunnan vanhimmista dokumentoiduista koneista. Tutkijat sovelsivat Arkhimedeen ruuvin periaatetta molekyylitasolla mutta veden sijaan elektronit virtaavat kierteisen rakenteen läpi, joka saa sen pyörimään.

Koneen ytimessä on kierukkamainen molekyyli, jonka professori Michael Pittelkowin tiimi Kööpenhaminan yliopistossa valmisti erityisesti tutkimusta varten. Israelissa Weizmannin tiedeinstituutin tutkijatiimi venytti yksittäisiä molekyylejä kahden atomaarisen kultakärjen välissä. Säätämällä tarkasti elektrodien välistä etäisyyttä tutkijat pystyivät venyttämään tai puristamaan molekyyliruuvia.

Mittaukset osoittivat, että molekyyli pyörii, kun siihen kytketään jännite. Pyörimissuunta oli yksiselitteinen ja sitä voitiin kääntää muuttamalla jännitteen napaisuutta. Tutkimus osoittaa siten ensimmäistä kertaa virtakäyttöisen molekyylimoottorin, jonka pyörimissuuntaa voidaan ohjata ja joka on kiinnitetty tukevasti kahteen metallielektrodiin.

Liikettä ohjaavat elektronit. Virratessaan kierukkamaisen molekyylin läpi ne siirtävät sille pyörimismäärää, aivan kuten tuuli pyörittää tuuliturbiinia. Molekyylin ”käämi” määrää suunnan, aivan kuten oikea- tai vasenkierteisen ruuvin tapauksessa. Tietyn jännittetason ylityksen jälkeen tämä liike muuttuu jatkuvaksi pyörimiseksi.

Mutta miksi pyörivä molekyyli johtaa sähköä huomattavasti paremmin kuin paikallaan pysyvä? Professori Fabian Pauly ja hänen tohtoriopiskelijansa Léon Martin ja Yuta Ito Augsburgin yliopiston teoreettisen fysiikan laitoksella tutkivat tätä kysymystä kvanttimekaanisten simulaatioiden avulla. Heidän laskelmansa osoittivat, että molekyylin pyöriminen on läheisessä yhteydessä sen johtavuuteen. Johtavuus riippuu suuresti molekyylin pyörimiskulmasta ja voi kasvaa jopa kahdella kertaluokalla pyörimisen aikana.

Löydöllä on potentiaalia molekyylielektroniikan komponenteille, spintroniikan sovelluksille ja mikrofluidistisille järjestelmille. Lisäksi tällaiset miniatyyrikoneet tarjoavat uusia mahdollisuuksia fysikaalisten prosessien tutkimiseen atomitasolla.

”Olemme osoittaneet, että sähkövirtaa voidaan käyttää suunnatun pyörimisen aikaansaamiseen ja että tämä pyöriminen puolestaan ohjaa virtaa. Tämä on uusi toimintaperiaate koneille, jotka ovat miniatyrisoinnin äärirajoilla”, Pauly selittää.

Aiheesta aiemmin:

Molekyyliantennit tehostavat molekyylikytkimiä

Lämpöenergialla jatkuvasti toimivat DNA-molekyylikoneet

Molekyylirobotit parveutuvat yhteistyöhön