In een ontwikkeling die de oude Grieken ofwel zeer trots ofwel diep verward zou maken, hebben wetenschappers een moleculaire motor gebouwd die draait wanneer er elektriciteit doorheen gaat. Het piepkleine machientje, geïnspireerd op de Archimedes-schroef – een van de oudste machines uit de geschiedenis – kan zelfs van richting veranderen wanneer de spanning wordt omgeschakeld. Het is een belangrijke stap naar werkende machines op de kleinst mogelijke schaal, ervan uitgaande dat je ooit een schroef nodig hebt gehad die klein genoeg is om tussen je bankkussens te verliezen.

Moleculaire machines worden algemeen gezien als de volgende grens in miniaturisatie. De natuur heeft al werkende voorbeelden in levende cellen, waar moleculaire motoren energie gebruiken om beweging te produceren – omdat de natuur, zoals gewoonlijk, er als eerste was en niet eens de moeite nam om erover te publiceren. Onderzoekers hebben decennia besteed aan het proberen na te bootsen van deze biologische systemen, en de vooruitgang in het veld werd erkend met de Nobelprijs voor Scheikunde in 2016, wat het wetenschappelijke equivalent is van een gouden ster krijgen omdat je eindelijk een bacterie hebt ingehaald.

Wetenschappers ontwikkelden in 2011 voor het eerst elektrisch aangedreven moleculaire motoren, maar die eerdere ontwerpen werkten op oppervlakken en vertrouwden op de tip van een scanning tunneling-microscoop om hun beweging aan te drijven – in wezen het moleculaire equivalent van een heftruck nodig hebben om een deurknop om te draaien. De nieuwe motor volgt een andere aanpak en leent zijn ontwerp van de Archimedes-schroef, traditioneel gebruikt om water bergopwaarts te verplaatsen. In plaats van water laat het nieuwe ontwerp elektronen door een spiraalvormig molecuul reizen, waardoor het gaat roteren terwijl er elektrische stroom doorheen gaat. Zelfde principe, kleinere leidingen.

Het centrale onderdeel van de motor is een speciaal ontworpen spiraalmolecuul, gemaakt door de onderzoeksgroep van prof. Michael Pittelkow aan de Universiteit van Kopenhagen. Het molecuul meet slechts een paar miljoenste millimeter en kan zich via zwavelatomen aan gouden oppervlakken hechten – want zelfs op moleculaire schaal lijken wetenschappers erop te staan dingen onnodig chique te maken.

Bij het Weizmann Instituut voor Wetenschap in Israël plaatsten onderzoekers onder leiding van prof. Oren Tal en dr. Anil Kumar Singh individuele moleculen tussen twee gouden tips die tot atomaire afmetingen waren geslepen. Door de afstand tussen deze elektroden zorgvuldig te variëren, kon het team de moleculaire schroef uitrekken of samendrukken. Toen ze een elektrische spanning aanlegden, onthulden metingen dat het molecuul begon te roteren. Nog belangrijker: ze konden de richting omkeren door simpelweg de polariteit van de spanning te veranderen – het moleculaire equivalent van een auto in zijn achteruit zetten, behalve dat de auto een paar miljoenste millimeter lang is en je hem niet eens kunt zien.

Dit is de eerste demonstratie van een moleculaire motor die wordt aangedreven door elektrische stroom, stevig verbonden is met twee metalen elektroden en in een controleerbare richting kan roteren. Dat zijn drie primeurs in één zin, wat het wetenschappelijke equivalent is van een hattrick.

De drijvende kracht komt rechtstreeks van elektronen die door het spiraalmolecuul reizen. Terwijl ze bewegen, dragen ze impulsmoment over aan de moleculaire structuur, waardoor rotatie ontstaat, ongeveer zoals stromende lucht een windturbine laat draaien. De vorm van de spiraal bepaalt hoe hij op deze stroom reageert, vergelijkbaar met het verschil tussen schroeven met rechtse of linkse schroefdraad. Zodra de aangelegde spanning een bepaalde drempel overschrijdt, wordt de beweging een continue rotatie – want zelfs op moleculaire schaal hebben dingen een flinke trap nodig om op gang te komen.

Maar de experimenten onthulden nog een intrigerend effect: het roterende molecuul geleidde elektriciteit veel efficiënter dan in stilstaande toestand, wat een belangrijke vraag opriep over wat er binnen in het piepkleine machientje gebeurde. Om dit te onderzoeken gebruikten prof. dr. Fabian Pauly en zijn promovendi Léon Martin en Yuta Ito aan de Universiteit van Augsburg kwantummechanische simulaties op de LiCCA-supercomputer. Hun berekeningen onthulden een nauwe relatie tussen de rotatie van het molecuul en zijn vermogen om elektriciteit te geleiden.