В событии, которое заставило бы древних греков либо очень гордиться, либо сильно растеряться, учёные создали молекулярный мотор, который вращается при прохождении через него электричества. Эта крошечная машина, вдохновлённая винтом Архимеда — одним из древнейших механизмов в истории, — может даже менять направление вращения при переключении напряжения. Это значительный шаг к созданию работающих машин в наименьшем возможном масштабе — если, конечно, вам когда-нибудь был нужен винт настолько маленький, чтобы потерять его между подушками дивана.

Молекулярные машины широко рассматриваются как следующий рубеж миниатюризации. У природы уже есть работающие примеры внутри живых клеток, где молекулярные моторы используют энергию для создания движения — потому что природа, как обычно, добралась туда первой и даже не удосужилась опубликовать результаты. Исследователи потратили десятилетия, пытаясь искусственно воссоздать эти биологические системы, и прогресс в этой области был отмечен Нобелевской премией по химии 2016 года — что в научном мире эквивалентно золотой звезде за то, что наконец догнали бактерию.

Учёные впервые разработали молекулярные моторы на электричестве в 2011 году, но те ранние конструкции работали на поверхностях и полагались на остриё сканирующего туннельного микроскопа для приведения в движение — по сути, молекулярный эквивалент необходимости вилочного погрузчика, чтобы повернуть дверную ручку. Новый мотор использует другой подход, заимствуя конструкцию у винта Архимеда, традиционно применяемого для подъёма воды вверх. Вместо воды новая конструкция позволяет электронам проходить через спиралевидную молекулу, заставляя её вращаться при прохождении электрического тока. Тот же принцип, только сантехника меньше.

Центральный компонент мотора — специально разработанная спиральная молекула, созданная исследовательской группой профессора Майкла Питтелькоу в Копенгагенском университете. Размером всего в несколько миллионных долей миллиметра, молекула может прикрепляться к золотым поверхностям через атомы серы — потому что даже в молекулярном масштабе учёные, по-видимому, настаивают на том, чтобы всё было unnecessarily fancy.

В Научном институте Вейцмана в Израиле исследователи под руководством профессора Орена Таля и доктора Анила Кумара Сингха разместили отдельные молекулы между двумя золотыми остриями, заточенными до атомных размеров. Тщательно изменяя расстояние между этими электродами, команда могла растягивать или сжимать молекулярный винт. Когда они приложили электрическое напряжение, измерения показали, что молекула начала вращаться. Что ещё важнее, они могли менять направление её вращения, просто изменяя полярность напряжения — что является молекулярным эквивалентом включения задней передачи в автомобиле, только автомобиль длиной в несколько миллионных долей миллиметра, и вы даже не можете его увидеть.

Это первая демонстрация молекулярного мотора, приводимого в движение электрическим током, прочно соединённого с двумя металлическими электродами и способного вращаться в контролируемом направлении. Три «первых» в одном предложении — это научный эквивалент хет-трика.

Движущая сила исходит непосредственно от электронов, проходящих через спиральную молекулу. Двигаясь, они передают угловой момент молекулярной структуре, вызывая вращение, подобно тому как движущийся воздух вращает ветряную турбину. Форма спирали определяет, как она реагирует на этот поток, аналогично разнице между винтами с правой или левой резьбой. Как только приложенное напряжение превышает определённый порог, движение становится непрерывным вращением — потому что даже в молекулярном масштабе, чтобы сдвинуться с места, нужен хороший пинок.

Но эксперименты выявили ещё один интригующий эффект: вращающаяся молекула проводила электричество гораздо эффективнее, чем в неподвижном состоянии, что подняло важный вопрос о том, что происходило внутри крошечной машины. Чтобы исследовать это, профессор доктор Фабиан Паули и его аспиранты Леон Мартин и Юта Ито из Аугсбургского университета использовали квантовомеханические симуляции на суперкомпьютере LiCCA. Их расчёты выявили тесную связь между вращением молекулы и её способностью проводить электричество.