Într-o dezvoltare care i-ar face pe grecii antici fie foarte mândri, fie profund confuzi, oamenii de știință au construit un motor molecular care se învârte atunci când trece curent electric prin el. Micuța mașinărie, inspirată de Șurubul lui Arhimede – una dintre cele mai vechi mașini din istoria înregistrată – poate chiar să își inverseze direcția atunci când tensiunea este comutată. Este un pas semnificativ spre crearea de mașini funcționale la cea mai mică scară posibilă, presupunând că ai avut vreodată nevoie de un șurub suficient de mic încât să se piardă între pernele canapelei.

Mașinile moleculare sunt văzute pe scară largă ca următoarea frontieră în miniaturizare. Natura are deja exemple funcționale în interiorul celulelor vii, unde motoarele moleculare folosesc energie pentru a produce mișcare – pentru că natura, ca de obicei, a ajuns prima și nici măcar nu s-a obosit să publice. Cercetătorii au petrecut decenii încercând să recreeze artificial aceste sisteme biologice, iar progresul din domeniu a fost recunoscut cu Premiul Nobel pentru Chimie din 2016, care este echivalentul științific al primirii unei stele de aur pentru că în sfârșit ai ajuns din urmă o bacterie.

Oamenii de știință au dezvoltat primii motori moleculari alimentați electric în 2011, dar acele modele anterioare operau pe suprafețe și se bazau pe vârful unui microscop cu scanare prin tunel pentru a-și antrena mișcarea – practic echivalentul molecular al nevoii de un stivuitor pentru a întoarce un mâner de ușă. Noul motor adoptă o abordare diferită, împrumutându-și designul de la Șurubul lui Arhimede, folosit în mod tradițional pentru a muta apa în sus. În loc de apă, noul design permite electronilor să călătorească printr-o moleculă în formă de spirală, determinând-o să se rotească pe măsură ce curentul electric trece prin ea. Același principiu, instalații sanitare mai mici.

Componenta centrală a motorului este o moleculă spiralată special concepută, creată de grupul de cercetare al Prof. Michael Pittelkow de la Universitatea din Copenhaga. Măsurând doar câteva milioane de milimetri, molecula se poate atașa de suprafețe de aur prin atomi de sulf – pentru că, chiar și la scara moleculară, oamenii de știință insistă aparent să facă lucrurile inutil de sofisticate.

La Institutul de Științe Weizmann din Israel, cercetătorii conduși de Prof. Oren Tal și Dr. Anil Kumar Singh au poziționat molecule individuale între două vârfuri de aur ascuțite la dimensiuni atomice. Schimbând cu atenție separarea dintre acești electrozi, echipa a putut întinde sau comprima șurubul molecular. Când au aplicat o tensiune electrică, măsurătorile au dezvăluit că molecula a început să se rotească. Și mai important, au putut să-i inverseze direcția pur și simplu schimbând polaritatea tensiunii – ceea ce este echivalentul molecular al punerii unei mașini în marșarier, doar că mașina are câteva milioane de milimetri lungime și nici măcar nu o poți vedea.

Aceasta reprezintă prima demonstrație a unui motor molecular acționat de curent electric, conectat ferm la doi electrozi metalici și capabil să se rotească într-o direcție controlabilă. Sunt trei premiere într-o singură propoziție, ceea ce este echivalentul științific al unui hat-trick.

Forța motrice provine direct de la electronii care călătoresc prin molecula spiralată. Pe măsură ce se mișcă, aceștia transferă moment unghiular structurii moleculare, producând rotație similar cu modul în care aerul în mișcare rotește o turbină eoliană. Forma spiralei determină modul în care aceasta răspunde la acest flux, similar diferenței dintre șuruburile cu filet pe dreapta sau pe stânga. Odată ce tensiunea aplicată depășește un anumit prag, mișcarea devine rotație continuă – pentru că, chiar și la scara moleculară, lucrurile au nevoie de un impuls bun pentru a porni.

Dar experimentele au dezvăluit un alt efect intrigant: molecula care se rotește conducea electricitatea mult mai eficient decât atunci când era staționară, ridicând o întrebare importantă despre ce se întâmpla în interiorul micuței mașinării. Pentru a investiga, Prof. Dr. Fabian Pauly și studenții săi doctoranzi Léon Martin și Yuta Ito de la Universitatea din Augsburg au folosit simulări mecanice cuantice pe supercomputerul LiCCA. Calculele lor au dezvăluit o relație strânsă între rotația moleculei și capacitatea sa de a conduce electricitatea.