W rozwoju, który przyprawiłby starożytnych Greków albo o dumę, albo o głębokie zmieszanie, naukowcy zbudowali molekularny silnik, który obraca się, gdy przepływa przez niego prąd. Ta maleńka maszyna, zainspirowana śrubą Archimedesa – jedną z najstarszych maszyn w zapisanej historii – potrafi nawet zmienić kierunek obrotu po przełączeniu napięcia. To znaczący krok w kierunku tworzenia działających maszyn w najmniejszej możliwej skali, zakładając, że kiedykolwiek potrzebowaliście śruby tak małej, że zgubilibyście ją między poduszkami kanapy.

Maszyny molekularne są powszechnie postrzegane jako kolejna granica miniaturyzacji. Natura ma już działające przykłady wewnątrz żywych komórek, gdzie silniki molekularne wykorzystują energię do wytwarzania ruchu – bo natura, jak zwykle, dotarła tam pierwsza i nawet nie zadała sobie trudu, by to opublikować. Naukowcy spędzili dziesięciolecia, próbując sztucznie odtworzyć te biologiczne systemy, a postęp w tej dziedzinie został uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii w 2016 roku, co jest naukowym odpowiednikiem złotej gwiazdki za to, że w końcu dogoniliśmy bakterię.

Naukowcy po raz pierwszy opracowali zasilane prądem silniki molekularne w 2011 roku, ale te wcześniejsze konstrukcje działały na powierzchniach i polegały na końcówce skaningowego mikroskopu tunelowego, która napędzała ich ruch – zasadniczo molekularny odpowiednik potrzeby wózka widłowego do przekręcenia klamki. Nowy silnik przyjmuje inne podejście, zapożyczając konstrukcję od śruby Archimedesa, tradycyjnie używanej do przemieszczania wody w górę. Zamiast wody nowa konstrukcja pozwala elektronom podróżować przez spiralnie ukształtowaną cząsteczkę, powodując jej obrót, gdy przepływa przez nią prąd elektryczny. Ta sama zasada, mniejsza hydraulika.

Centralnym elementem silnika jest specjalnie zaprojektowana spiralna cząsteczka stworzona przez grupę badawczą prof. Michaela Pittelkowa na Uniwersytecie w Kopenhadze. Mierząca zaledwie kilka milionowych części milimetra cząsteczka może przyczepiać się do złotych powierzchni za pośrednictwem atomów siarki – bo nawet w skali molekularnej naukowcy najwyraźniej upierają się przy niepotrzebnym komplikowaniu rzeczy.

W Instytucie Naukowym Weizmanna w Izraelu badacze pod kierownictwem prof. Orena Tala i dr. Anila Kumara Singha umieścili pojedyncze cząsteczki między dwiema złotymi końcówkami zaostrzonymi do wymiarów atomowych. Ostrożnie zmieniając odległość między tymi elektrodami, zespół mógł rozciągać lub ściskać molekularną śrubę. Po przyłożeniu napięcia elektrycznego pomiary ujawniły, że cząsteczka zaczęła się obracać. Co ważniejsze, mogli odwrócić jej kierunek po prostu zmieniając polaryzację napięcia – co jest molekularnym odpowiednikiem wrzucenia biegu wstecznego w samochodzie, z tą różnicą, że samochód ma kilka milionowych części milimetra długości i nawet go nie widać.

To pierwsza demonstracja silnika molekularnego napędzanego prądem elektrycznym, mocno połączonego z dwiema metalowymi elektrodami i zdolnego do obracania się w kontrolowanym kierunku. To trzy pierwsze w jednym zdaniu, co jest naukowym odpowiednikiem hat-tricka.

Siła napędowa pochodzi bezpośrednio od elektronów podróżujących przez spiralną cząsteczkę. Gdy się poruszają, przekazują moment pędu strukturze molekularnej, wytwarzając obrót podobnie jak poruszające się powietrze obraca turbiną wiatrową. Kształt spirali określa, jak reaguje ona na ten przepływ, podobnie jak różnica między śrubami z gwintem prawoskrętnym i lewoskrętnym. Gdy przyłożone napięcie przekroczy pewien próg, ruch staje się ciągłym obrotem – bo nawet w skali molekularnej rzeczy potrzebują porządnego kopniaka, żeby ruszyć.

Ale eksperymenty ujawniły jeszcze inny intrygujący efekt: obracająca się cząsteczka przewodziła prąd znacznie wydajniej niż wtedy, gdy była nieruchoma, co rodzi ważne pytanie o to, co działo się wewnątrz maleńkiej maszyny. Aby to zbadać, prof. dr Fabian Pauly i jego doktoranci Léon Martin i Yuta Ito z Uniwersytetu w Augsburgu wykorzystali symulacje mechaniki kwantowej na superkomputerze LiCCA. Ich obliczenia ujawniły ścisły związek między obrotem cząsteczki a jej zdolnością do przewodzenia prądu.