고대 그리스인들이 매우 자랑스러워하거나 아니면 깊이 혼란스러워할 만한 성과가 나왔다. 과학자들이 전기가 통과할 때 회전하는 분자 모터를 만들었다. 기록된 역사상 가장 오래된 기계 중 하나인 아르키메데스 나사에서 영감을 받은 이 초소형 기계는 전압을 바꾸면 방향까지 역전할 수 있다. 이는 가능한 한 가장 작은 규모에서 작동하는 기계를 만드는 중요한 진전이다. 물론 소파 쿠션 사이에서 잃어버릴 만큼 작은 나사가 필요했던 적이 있다면 말이다.

분자 기계는 흔히 소형화의 다음 개척지로 여겨진다. 자연은 이미 살아있는 세포 안에 작동하는 예를 가지고 있다. 분자 모터가 에너지를 사용해 움직임을 만들어내는 것이다. 자연은 늘 그렇듯 먼저 도달했고 논문을 발표하지도 않았다. 연구자들은 수십 년 동안 이 생물학적 시스템을 인공적으로 재현하려고 노력해 왔고, 이 분야의 진전은 2016년 노벨 화학상으로 인정받았다. 이는 마침내 박테리아를 따라잡은 대가로 금별을 받는 과학적 등가물이다.

과학자들은 2011년에 처음으로 전기로 구동되는 분자 모터를 개발했지만, 그 초기 설계는 표면 위에서 작동했고 주사 터널링 현미경의 팁에 의존해 움직임을 구동했다. 본질적으로 문손잡이를 돌리기 위해 지게차가 필요한 것과 같은 분자적 등가물이었다. 새 모터는 다른 접근법을 취하며, 전통적으로 물을 위로 이동시키는 데 사용되는 아르키메데스 나사에서 설계를 빌려왔다. 물 대신 새 설계는 전자가 나선형 분자를 통과하도록 하여 전류가 흐를 때 분자가 회전하게 한다. 같은 원리, 더 작은 배관이다.

모터의 핵심 구성 요소는 코펜하겐 대학의 마이클 피텔코프 교수 연구팀이 만든 특별히 설계된 나선형 분자다. 100만분의 1밀리미터에 불과한 이 분자는 황 원자를 통해 금 표면에 부착될 수 있다. 분자 규모에서조차 과학자들은 불필요하게 멋을 부리는 것을 고집하는 모양이다.

이스라엘의 바이츠만 과학 연구소에서 오렌 탈 교수와 아닐 쿠마르 싱 박사가 이끄는 연구자들은 원자 차원으로 날카롭게 만든 두 개의 금 팁 사이에 개별 분자를 배치했다. 이 전극 사이의 간격을 조심스럽게 변화시킴으로써 팀은 분자 나사를 늘리거나 압축할 수 있었다. 전압을 가했을 때 측정 결과 분자가 회전하기 시작했다. 더욱 중요한 것은 전압의 극성을 바꾸기만 하면 방향을 역전할 수 있다는 점이었다. 이는 자동차를 후진 기어에 넣는 것과 같은 분자적 등가물이지만, 자동차는 100만분의 1밀리미터 길이이고 눈으로 볼 수도 없다.

이는 두 개의 금속 전극에 단단히 연결되고 제어 가능한 방향으로 회전할 수 있는, 전류로 구동되는 분자 모터의 첫 시연이다. 한 문장에 세 가지 최초가 들어 있다. 과학적으로 해트트릭과 같은 셈이다.

구동력은 나선형 분자를 통과하는 전자에서 직접 나온다. 전자가 움직이면서 분자 구조에 각운동량을 전달해 회전을 만들어내는데, 이는 마치 움직이는 공기가 풍력 터빈을 돌리는 것과 같다. 나선의 모양은 오른나사와 왼나사의 차이처럼 이 흐름에 어떻게 반응할지를 결정한다. 가한 전압이 특정 임계값을 넘으면 움직임은 연속 회전이 된다. 분자 규모에서도 일이 진행되려면 제대로 한 방 차여야 하는 법이다.

그런데 실험은 또 다른 흥미로운 효과를 드러냈다. 회전하는 분자는 정지해 있을 때보다 전기를 훨씬 더 효율적으로 전도했고, 이는 이 초소형 기계 내부에서 무슨 일이 일어나는지에 대한 중요한 질문을 제기했다. 이를 조사하기 위해 아우크스부르크 대학의 파비안 파울리 교수와 그의 박사 과정 학생인 레옹 마르틴, 유타 이토는 LiCCA 슈퍼컴퓨터에서 양자역학 시뮬레이션을 사용했다. 그들의 계산은 분자의 회전과 전기를 전도하는 능력 사이의 밀접한 관계를 밝혀냈다.