I en utveckling som skulle få de antika grekerna att antingen bli mycket stolta eller djupt förvirrade, har forskare byggt en molekylär motor som snurrar när elektricitet passerar genom den. Den lilla maskinen, inspirerad av Arkimedes skruv – en av de äldsta maskinerna i dokumenterad historia – kan till och med byta riktning när spänningen växls. Det är ett betydande steg mot att skapa fungerande maskiner i minsta möjliga skala, förutsatt att du någonsin har behövt en skruv som är tillräckligt liten för att tappa bort mellan soffkuddarna.

Molekylära maskiner ses allmänt som nästa gräns inom miniatyrisering. Naturen har redan fungerande exempel inuti levande celler, där molekylära motorer använder energi för att producera rörelse – för naturen, som vanligt, kom dit först och brydde sig inte ens om att publicera det. Forskare har tillbringat decennier med att försöka återskapa dessa biologiska system artificiellt, och fältets framsteg uppmärksammades med Nobelpriset i kemi 2016, vilket är den vetenskapliga motsvarigheten till att få en guldstjärna för att äntligen ha kommit ikapp en bakterie.

Forskare utvecklade först el-drivna molekylära motorer 2011, men dessa tidigare konstruktioner fungerade på ytor och förlitade sig på spetsen av ett sveptunnelmikroskop för att driva deras rörelse – i huvudsak den molekylära motsvarigheten till att behöva en gaffeltruck för att vrida om ett dörrhandtag. Den nya motorn använder ett annat tillvägagångssätt och lånar sin design från Arkimedes skruv, som traditionellt används för att flytta vatten uppför. Istället för vatten låter den nya designen elektroner färdas genom en spiralformad molekyl, vilket får den att rotera när elektrisk ström passerar genom den. Samma princip, mindre rör.

Motorns centrala komponent är en specialdesignad spiralformad molekyl skapad av forskargruppen under ledning av professor Michael Pittelkow vid Köpenhamns universitet. Molekylen, som bara mäter några miljondels millimeter, kan fästa vid guldytor genom svavelatomer – för även i molekylär skala insisterar forskare tydligen på att göra saker onödigt fancy.

Vid Weizmann Institute of Science i Israel placerade forskare under ledning av professor Oren Tal och dr Anil Kumar Singh individuella molekyler mellan två guldtips slipade till atomära dimensioner. Genom att noggrant ändra avståndet mellan dessa elektroder kunde teamet sträcka ut eller komprimera den molekylära skruven. När de applicerade en elektrisk spänning visade mätningarna att molekylen började rotera. Ännu viktigare, de kunde vända dess riktning helt enkelt genom att ändra spänningens polaritet – vilket är den molekylära motsvarigheten till att sätta en bil i backväxel, förutom att bilen är några miljondels millimeter lång och du kan inte ens se den.

Detta representerar den första demonstrationen av en molekylär motor som drivs av elektrisk ström, fast ansluten till två metallelektroder och kapabel att rotera i en kontrollerbar riktning. Det är tre första gången i en och samma mening, vilket är den vetenskapliga motsvarigheten till ett hattrick.

Drivkraften kommer direkt från elektroner som färdas genom den spiralformade molekylen. När de rör sig överför de rörelsemängdsmoment till den molekylära strukturen, vilket producerar rotation ungefär som rörlig luft får ett vindkraftverk att snurra. Spiralens form avgör hur den reagerar på detta flöde, liknande skillnaden mellan skruvar med höger- eller vänstergängor. När den applicerade spänningen överstiger en viss tröskel blir rörelsen kontinuerlig rotation – för även i molekylär skala behöver saker en rejäl knuff för att komma igång.

Men experimenten avslöjade en annan intressant effekt: den roterande molekylen ledde elektricitet mycket effektivare än när den var stillastående, vilket väcker en viktig fråga om vad som hände inuti den lilla maskinen. För att undersöka detta använde professor Fabian Pauly och hans doktorander Léon Martin och Yuta Ito vid Augsburgs universitet kvantmekaniska simuleringar på superdatorn LiCCA. Deras beräkningar avslöjade ett nära samband mellan molekylens rotation och dess förmåga att leda elektricitet.