Arşmed’in 2.000 Yıllık Vidayı İlham Kaynağı Oldu: Elektrik Üretimini 100 Kat Artıran Motor Geliştirildi

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 yine de bir zorluk olarak kaldı.

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 tersine bu akımı kontrol edebileceğini gösterdik. Bu, minyatürleşmenin en uç noktalarındaki makineler için yeni bir çalışma ilkesidir,” çalışmanın yazarlarından ve Almanya’daki Augsburg Üniversitesi’nden professor Fabian Pauly, şöyle söyledi.

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

Molekülü hareket ettirmek için dış mekanik bir araça güvenmek yerine, hareketi harekete eden kendisi akımdır. Motorun merkez bileşeni, çalışma için özel olarak Kopenhag Üniversitesi’nden Michael Pittelkow’un ekibi tarafından sentezlenen ditionasetil fonksiyonelleştirilmiş (13) helikeni 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 bağladılar.

Bu elektrotlar, molekül üzerinden elektrik akımı için bir yol sağladı. Uçlar arasındaki mesafeyi ayarlayarak ekip, moleküler yapının gerilmesini veya sıkıştırılmasını sağlayabilir ve akımın artmaya başladığı voltajı değiştirebilir.

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

Hareket, akımla tetiklenen kuvvetlerle sürülüyor: elektronlar sarmal molekülün içinden geçtiğinde, ona açısal momentum aktarıyor. Molekülün sağ-sol eli, döndürmenin yönünü belirlemeye yardımcı oluyor; tıpkı sıradan bir vidanın dişinin ileri hareketini nasıl belirlemesi gibi.

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

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

Hesaplamaları, molekülün elektriği döndürme açısına göre çok farklı şekilde ilettiğini gösterdi. Döndürülürken, elektronların çok daha kolay akmasına olanak tanıyan konfigürasyonlara erişebilir ve iletkenliği iki mertebe, yani yaklaşık 100 kat artırabilir.

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

Bulgular, araştırmacıların moleküler elektronik bileşenler, elektron spinini bilgi işlemek için kullanan spintronik aygıtlar ve sıvıları manipüle etmek için küçük sistemler geliştirmelerine yardımcı olabilir. Aynı zamanda mekanik hareket ile elektrik taşınmasının moleküler ölçekte nasıl etkileştiğini araştırmak için bir yol sunuyorlar.