Μια διεθνής ομάδα ερευνητών κατασκεύασε έναν μικροσκοπικό κινητήρα, ο οποίος χρησιμοποιεί ηλεκτρικό ρεύμα για να θέσει σε περιστροφή ένα μόριο σε σχήμα κοχλία, ενώ η ίδια η κίνηση μπορεί να αυξήσει το ρεύμα που διέρχεται από αυτό έως και 100 φορές. Η ανακάλυψη αυτή καθιερώνει έναν νέο τρόπο σύζευξης της μηχανικής κίνησης με τον ηλεκτρισμό στις μικρότερες κλίμακες, ανοίγοντας νέες δυνατότητες για τη μοριακή ηλεκτρονική.
Οι επιστήμονες προσπαθούν εδώ και δεκαετίες να κατασκευάσουν τεχνητές μοριακές μηχανές, εμπνευσμένες από τους κινητήρες που παράγουν την κίνηση στο εσωτερικό των ζωντανών κυττάρων. Ωστόσο, η επίτευξη προβλέψιμης περιστροφής ενός μορίου υπό την επίδραση ηλεκτρικού ρεύματος, με ταυτόχρονη διατήρηση της ηλεκτρικής επαφής με μεταλλικά ηλεκτρόδια, παρέμενε μια πρόκληση.
Η νέα συσκευή επιδεικνύει περιστροφή ελεγχόμενη από την τάση, με 100% προτίμηση ως προς την κατεύθυνση, αξιοποιώντας μια αρχή που χρονολογείται πριν από περισσότερα από 2.000 χρόνια, σύμφωνα με το Interesting Engineering.
«Δείξαμε ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προκαλέσει κατευθυνόμενη περιστροφή και ότι αυτή η περιστροφή, με τη σειρά της, ελέγχει το ρεύμα. Πρόκειται για μια νέα αρχή λειτουργίας για μηχανές στα απόλυτα όρια της σμίκρυνσης», δήλωσε ο Fabian Pauly, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης και καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Άουγκσμπουργκ στη Γερμανία.
Ο κοχλίας του Αρχιμήδη αποκτά μοριακή μορφή
Οι ερευνητές εμπνεύστηκαν από τον κοχλία του Αρχιμήδη, μια αρχαία συσκευή με ελικοειδή πτερύγιο στο εσωτερικό ενός κυλίνδρου, η οποία ανυψώνει νερό ή στερεά υλικά όταν περιστρέφεται. Στη νέα μηχανή, τα ηλεκτρόνια που ρέουν μέσα από μια αντίστοιχα ελικοειδή δομή παράγουν τη ροπή που την θέτει σε περιστροφή.
Αντί να βασίζεται σε ένα εξωτερικό μηχανικό εργαλείο για να κινήσει το μόριο, η ίδια η ροή του ηλεκτρικού ρεύματος τροφοδοτεί την κίνησή του. Το κεντρικό εξάρτημα του κινητήρα είναι ένα μόριο ελικοειδούς δομής (13), λειτουργικοποιημένο με διθειοακετυλικές ομάδες, το οποίο συντέθηκε ειδικά για τη μελέτη από την ομάδα του Michael Pittelkow στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης.
Με μέγεθος μόλις λίγων νανομέτρων, το μόριο μπορεί να προσκολλάται σε επιφάνειες χρυσού μέσω ατόμων θείου. Στο Ινστιτούτο Επιστημών Βάιτσμαν στο Ισραήλ, ερευνητές με επικεφαλής τους Oren Tal και Anil Kumar Singh συνέδεσαν μεμονωμένα μόρια ανάμεσα σε δύο εξαιρετικά λεπτές χρυσές ακίδες.
Αυτά τα ηλεκτρόδια παρείχαν μια διαδρομή για τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από το μόριο. Ρυθμίζοντας την απόσταση μεταξύ των ακίδων, η ομάδα μπορούσε να τεντώνει ή να συμπιέζει τη μοριακή δομή, μεταβάλλοντας την τάση στην οποία ξεκινούσε η ενίσχυση του ρεύματος. Όταν οι ερευνητές εφάρμοσαν τάση, το μόριο παρουσίασε κυκλική κίνηση με σαφή προτίμηση ως προς την κατεύθυνση. Η αντιστροφή της πολικότητας της τάσης ανέστρεφε την κατεύθυνση περιστροφής. Έτσι, η ομάδα μπορούσε να ελέγχει την κίνηση του κινητήρα χωρίς να τον χειρίζεται φυσικά.
Η κίνηση προκαλείται από δυνάμεις που επάγονται από το ρεύμα: καθώς τα ηλεκτρόνια διέρχονται από το ελικοειδές μόριο, μεταφέρουν σε αυτό στροφορμή. Η χειρομορφία του μορίου συμβάλλει στον καθορισμό της κατεύθυνσης περιστροφής, όπως ακριβώς το σπείρωμα ενός συμβατικού κοχλία καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο αυτός προχωρά.
Οι ερευνητές απέδειξαν ότι η κατεύθυνση μπορεί να αλλάξει με την αντιστροφή της πολικότητας της τάσης. Άλλοι ερευνητές έχουν επίσης αναπτύξει μοριακές νανομηχανές βασισμένες στο DNA, αν και αυτές χρησιμοποιούν διαφορετική πηγή ενέργειας για την παραγωγή της κίνησης.
Το περιστρεφόμενο μόριο διευκολύνει τη διέλευση των ηλεκτρονίων
Οι συγγραφείς της μελέτης παρατήρησαν επίσης ένα εντυπωσιακό ηλεκτρικό φαινόμενο: μόλις το μόριο άρχιζε να κινείται, το ρεύμα μπορούσε να αυξηθεί απότομα. Για να κατανοήσουν τον λόγο, χρησιμοποίησαν κβαντομηχανικές προσομοιώσεις στον υπερυπολογιστή LiCCA.
Οι υπολογισμοί τους έδειξαν ότι το μόριο άγει τον ηλεκτρισμό με πολύ διαφορετικό τρόπο, ανάλογα με τη γωνία περιστροφής του. Καθώς περιστρέφεται, μπορεί να αποκτά διαμορφώσεις που επιτρέπουν στα ηλεκτρόνια να ρέουν πολύ πιο εύκολα, αυξάνοντας την αγωγιμότητα έως και κατά δύο τάξεις μεγέθους, δηλαδή περίπου 100 φορές. «Το εντυπωσιακό είναι ότι ακριβώς οι θέσεις που το μόριο αποφεύγει όταν βρίσκεται σε ακινησία είναι εκείνες που άγουν τον ηλεκτρισμό καλύτερα. Μόνο η περιστροφή καθιστά αυτές τις θέσεις προσβάσιμες», δήλωσε ο Léon Martin, ένας από τους ερευνητές και υποψήφιος διδάκτορας στο Πανεπιστήμιο του Άουγκσμπουργκ.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα απλοποιημένο μοντέλο που αναπαρήγαγε την παρατηρούμενη περιστροφή και την αύξηση του ρεύματος. Οι υπολογισμοί τους προβλέπουν επίσης ότι, πάνω από ένα συγκεκριμένο όριο τάσης, το μόριο μπορεί να μεταβεί από μια βηματική κίνηση σε συνεχή περιστροφή. Τέτοιοι υπολογισμοί αποτελούν μέρος μιας ευρύτερης προσπάθειας να κατανοηθεί γιατί οι μοριακές προσομοιώσεις εξακολουθούν να παρουσιάζουν δυσκολίες.
«Στο πείραμα, βλέπεις μόνο το ρεύμα. Οι υπολογισμοί μας μάς επιτρέπουν να διακρίνουμε τι συμβαίνει στο εσωτερικό της νανοεπαφής», δήλωσε ο Yuta Ito, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης.
Ένας κινητήρας, όχι ακόμη ένα μικροσκοπικό μηχανουργείο
Τα ευρήματα θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους ερευνητές να αναπτύξουν μοριακά ηλεκτρονικά εξαρτήματα, σπιντρονικές συσκευές που χρησιμοποιούν το σπιν των ηλεκτρονίων για την επεξεργασία πληροφοριών, καθώς και μικροσκοπικά συστήματα για τον χειρισμό ρευστών. Παράλληλα, προσφέρουν έναν τρόπο διερεύνησης της αλληλεπίδρασης μεταξύ της μηχανικής κίνησης και της ηλεκτρικής μεταφοράς στη μοριακή κλίμακα.
Ωστόσο, η συσκευή παραμένει ένα εργαστηριακό πρωτότυπο, το οποίο βασίζεται σε ένα μεμονωμένο μόριο που συγκρατείται ανάμεσα σε χρυσά ηλεκτρόδια. Η απόδοσή της σε πρακτικές συσκευές δεν έχει ακόμη τεκμηριωθεί, ενώ οι προτεινόμενες εφαρμογές παραμένουν πιθανότητες και όχι αποδεδειγμένες χρήσεις.
Θα χρειαστεί περαιτέρω έρευνα για να προσδιοριστεί πώς συμπεριφέρεται ο κινητήρας υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας και κατά πόσο η συγκεκριμένη αρχή μπορεί να ενσωματωθεί σε λειτουργικές μοριακές τεχνολογίες.
(Η μελέτη δημοσιεύεται στο επιστημονικό περιοδικό Nature)
www.worldenergynews.gr
