Arşmed’in Mıknatıslı Vida Tekniğinden İlham Alan Motor, Elektrik Üretimini 100 Kat Artırıyor

Harry Wedzinga/Getty Images

Bilim insanları, canlı hücrelerin içindeki hareketi sağlayan motorlardan ilham alan yapay moleküler makineler kurmaya onlarca yıldır çalışıyor. Ancak, bir molekülün elektrik akımı altında öngörülebilir şekilde döndürülmesi ve metal elektrotlarla elektrik temasını koruması uzun süredir bir zorluk olarak karşısında duruyordu.

Yeni cihaz, 2.000 yıldan daha eski bir ilke kullanarak, yüzde 100 yön tercihine sahip voltaj kontrollü döndürmeyi gösteriyor.

“Bir elektrik akımının yönlendirilmiş bir döndürme yaratabileceğini ve bu döndürmenin de kendi kendine akımı kontrol ettiğini gösterdik. Bu, minyatürleşmenin en uç noktasındaki makineler için yeni bir çalışma ilkedir,” çalışmanın yazarlarından biri ve Almanya’daki Augsburg Üniversitesi’nden profesör Fabian Pauly, şöyle söyledi.

Araştırmacılar, silindir içinde suyu (veya katıları) döndürüldüğünde yukarı kaldıran, içindeki sarmal bıçağa sahip antik bir aygıt olan Arşimed vidasından ilham aldı. Yeni makinede, benzer şekilde bükülmüş bir yapıdan akan elektronlar, molekülü döndüren torku üretiyor.

Molekülü hareket ettirmek için dış mekanik bir araça güvenmek yerine, hareketi harekete eden akımın kendisidir. Motorun merkez bileşeni, çalışma için özel olarak Kopenhag Üniversitesi’nden Michael Pittelkow’un ekibi tarafından sentezlenen, ditioasetil fonksiyonelleştirilmiş (13) heliken molekülüdür.

Sadece birkaç nanometre ölçülen molekül, kükürt atomları aracılığıyla altın yüzeylere bağlanabilir. İsrail’deki Weizmann Bilim Enstitüsü’nde, Oren Tal ve Anil Kumar Singh önderliğindeki araştırmacılar, birey molekülleri iki aşırı ince altın uç arasında bağladı.

Bu elektrotlar, molekül üzerinden elektrik akımı için bir yol sağladı. Uçlar arasındaki mesafeyi ayarlayarak ekip, moleküler yapıyı gerip sıkıştırabilir ve akımın güçlenmeye başladığı voltajı değiştirebilir.

Araştırmacılar bir voltaj uyguladığında, molekül belirgin bir yön tercihine sahip döngüsel harekete geçti. Voltajın kutubunu tersine çevirmek, döndürme yönünü de tersine çevirdi. Bu, ekibe molekülü fiziksel olarak manipüle etmeden motorun hareketini kontrol etme imkanı verdi.

Hareket, akımla oluşan kuvvetler tarafından harekete geçiriliyor: elektronlar sarmal molekülün içinden geçtiğinde, ona açısal momentum aktarıyor. Molekülün el örneği (sağ/sol ellikliği), konvansiyonel bir vidanın dişinin nasıl ilerleyeceğini belirlediği gibi, döndürme yönünü belirlemeye yardımcı oluyor.

Araştırmacılar, voltaj kutubunu tersine çevirerek yönün değiştirilebileceğini gösterdi. Diğer araştırmacılar da DNA tabanlı moleküler nanomakineler geliştirdi, ancak bunlar hareketi üretmek için farklı bir enerji kaynağı kullanıyor.

Çalışmanın yazarları aynı zamanda şaşırtıcı bir elektrik etkisi de gözlemledi: molekül hareket etmeye başladıktan sonra, akım keskin şekilde yükselabiliyordu. Bunu anlamak için LiCCA süperbilgisayarında kuantum-mekanik simülasyonları kullandılar.

Hesaplamaları, molekülün elektrik iletimini döndürme açısına göre oldukça farklı şekilde yaptığını gösterdi. Döndürülürken, elektronların çok daha kolay akabileceği yapıları edinebilir ve iletkenliği iki mertebe, yani yaklaşık 100 kat artırabilir.

“Şaşırtıcı olan, molekülün durgunken kaçındığı konumların tam da en iyi elektrik iletmesidir. Bu konumların edinilebilir olması yalnızca döndürmeye borçludur,” araştırmalardan biri ve Augsburg Üniversitesi’nden doktora öğrencisi Léon Martin, şöyle söyledi.

Araştırmacılar ardından, gözlemlenen döndürme ve artan akımı yeniden üreten basitleştirilmiş bir model geliştirdi. Hesaplamaları, eşik voltajın üzerinde molekülün kademeli hareketten sürekli döndürmeye geçebileceğini de öngörüyor. Böyle hesaplamalar, moleküler simülasyonların neden zorlu kaldığını anlamaya yönelik daha geniş bir çabanın parçasıdır.

“Deneyde yalnızca akımı görürsünüz. Hesaplamalarımız, nano Temas’ın içinde neler olduğunu görmemizi sağlıyor,” çalışmanın yazarlarından biri Yuta Ito, şöyle söyledi.

Bulgular, araştırmacıların moleküler elektronik bileşenler, elektron spinini bilgi işlemek için kullanan spintronik cihazlar ve sıvıları manipüle eden küçük sistemler geliştirmelerine yardımcı olabilir. Aynı zamanda mekanik hareket ile elektrik iletimi arasındaki etkileşimin moleküler ölçekte nasıl işlediğini araştırmak için bir yol sunuyor.