علماء يصغّرون برغي أرخميدس إلى جزيء واحد، لأن البراغي العادية لم تكن كافية

في تطور كان من شأنه أن يجعل الإغريق القدماء إما فخورين جداً أو مرتبكين للغاية، بنى العلماء محركاً جزيئياً يدور عند مرور الكهرباء عبره. الآلة الصغيرة، المستوحاة من برغي أرخميدس - أحد أقدم الآلات في التاريخ المسجل - يمكنها حتى عكس اتجاهها عند تبديل الجهد. إنها خطوة مهمة نحو إنشاء آلات عاملة على أصغر مقياس ممكن، بافتراض أنك احتجت يوماً إلى برغي صغير بما يكفي لتضيعه بين وسائد الأريكة.

يُنظر إلى الآلات الجزيئية على نطاق واسع على أنها الحدود التالية في التصغير. الطبيعة لديها بالفعل أمثلة عاملة داخل الخلايا الحية، حيث تستخدم المحركات الجزيئية الطاقة لإنتاج الحركة - لأن الطبيعة، كعادتها، وصلت أولاً ولم تتكبد حتى عناء النشر. أمضى الباحثون عقوداً في محاولة إعادة إنشاء هذه الأنظمة البيولوجية صناعياً، وقد تم الاعتراف بتقدم هذا المجال بجائزة نوبل في الكيمياء عام 2016، وهو ما يعادل علمياً الحصول على نجمة ذهبية للوصول أخيراً إلى مستوى البكتيريا.

طور العلماء أول محركات جزيئية تعمل بالكهرباء في عام 2011، لكن تلك التصاميم السابقة كانت تعمل على الأسطح وتعتمد على طرف مجهر المسح النفقي لدفع حركتها - وهو ما يعادل جزيئياً الحاجة إلى رافعة شوكية لتدوير مقبض الباب. يتبع المحرك الجديد نهجاً مختلفاً، مستعيراً تصميمه من برغي أرخميدس، المستخدم تقليدياً لتحريك المياه صعوداً. بدلاً من الماء، يسمح التصميم الجديد للإلكترونات بالسفر عبر جزيء حلزوني الشكل، مما يجعله يدور عند مرور التيار الكهربائي. نفس المبدأ، سباكة أصغر.

المكون المركزي للمحرك هو جزيء حلزوني مصمم خصيصاً أنشأته مجموعة البحث بقيادة البروفيسور مايكل بيتبلو في جامعة كوبنهاغن. يبلغ قياسه بضعة ملايين من المليمتر فقط، ويمكن للجزيء أن يلتصق بالأسطح الذهبية عبر ذرات الكبريت - لأنه حتى على المقياس الجزيئي، يصر العلماء على ما يبدو على جعل الأشياء معقدة بشكل غير ضروري.

في معهد وايزمان للعلوم في إسرائيل، قام باحثون بقيادة البروفيسور أورين تال والدكتور أنيل كومار سينغ بوضع جزيئات فردية بين طرفين ذهبيين تم شحذهما إلى أبعاد ذرية. من خلال التغيير الدقيق للمسافة بين هذه الأقطاب الكهربائية، تمكن الفريق من شد أو ضغط البرغي الجزيئي. عندما طبقوا جهداً كهربائياً، كشفت القياسات أن الجزيء بدأ يدور. والأهم من ذلك، تمكنوا من عكس اتجاهه ببساطة عن طريق تغيير قطبية الجهد - وهو ما يعادل جزيئياً وضع سيارة في وضع الرجوع للخلف، باستثناء أن السيارة يبلغ طولها بضعة ملايين من المليمتر ولا يمكنك حتى رؤيتها.

يمثل هذا أول عرض لمحرك جزيئي مدفوع بالتيار الكهربائي، متصل بإحكام بقطبين معدنيين، وقادر على الدوران في اتجاه يمكن التحكم فيه. هذه ثلاث أولويات في جملة واحدة، وهو ما يعادل علمياً هاتريك.

تأتي القوة الدافعة مباشرة من الإلكترونات التي تسافر عبر الجزيء الحلزوني. أثناء تحركها، تنقل الزخم الزاوي إلى البنية الجزيئية، مما ينتج دوراناً يشبه إلى حد كبير دوران الهواء المتحرك لتوربينات الرياح. يحدد شكل الحلزون كيفية استجابته لهذا التدفق، على غرار الفرق بين البراغي ذات اللولب الأيمن أو الأيسر. بمجرد أن يتجاوز الجهد المطبق عتبة معينة، تصبح الحركة دوراناً مستمراً - لأنه حتى على المقياس الجزيئي، تحتاج الأشياء إلى دفعة قوية للانطلاق.

لكن التجارب كشفت عن تأثير آخر مثير للاهتمام: الجزيء الدوار كان يوصل الكهرباء بكفاءة أعلى بكثير مما كان عليه عندما يكون ثابتاً، مما يثير سؤالاً مهماً حول ما كان يحدث داخل الآلة الصغيرة. للتحقيق في ذلك، استخدم البروفيسور الدكتور فابيان باولي وطلاب الدكتوراه ليون مارتن ويوتا إيتو في جامعة أوغسبورغ محاكاات ميكانيكية كمومية على الحاسوب العملاق LiCCA. كشفت حساباتهم عن علاقة وثيقة بين دوران الجزيء وقدرته على حمل التيار الكهربائي.