Древний винт Архимеда ожил внутри одной молекулы. Его запустил электрический ток
Физики заставили одну спиральную молекулу двигаться в выбранном направлении с помощью электрического тока. Смена полярности напряжения разворачивала движение, а после определённого порога через молекулу начинал идти заметно больший ток. Авторы работы считают, что этот принцип позволит создавать молекулярные машины, которыми можно управлять электрически.
В центре эксперимента оказался гелицен, молекула с закрученной спиральной формой. Исследователи закрепили её между двумя золотыми электродами и подали напряжение. Молекула начала циклически переходить между положениями, причём направление движения во всех измерениях оставалось одним. Когда полярность меняли, движение шло в обратную сторону.
Что именно происходило внутри контакта, исследователи объяснили с помощью расчётов. Электрический ток создаёт силы, которые прикладывают к молекуле крутящий момент. При небольшом напряжении ротор, согласно модели, перескакивает между соседними устойчивыми положениями. После порогового значения расчёты предсказывают переход к непрерывному вращению.
При этом меняются и электрические свойства конструкции. В покое гелицен чаще занимает положения с относительно низкой проводимостью. Во время вращения молекула проходит через конфигурации, которые пропускают заряд гораздо легче, поэтому ток через контакт растёт. По расчётам авторов, именно вращение объясняет наблюдавшееся усиление проводимости.
Порог удалось менять механически. Исследователи немного растягивали или сжимали молекулу, увеличивая либо уменьшая расстояние между электродами. Вместе с геометрией менялось и напряжение, при котором ток начинал заметно расти. Одна молекула фактически совмещает роль подвижной механической детали и элемента электрической цепи.
Авторы сравнивают принцип работы с винтом Архимеда, который веками использовали для перемещения воды. В молекулярной версии поток электронов создаёт крутящий момент и заставляет спираль двигаться. Для молекулярной электроники особенно интересна возможность менять проводимость через механическое движение единственной молекулы.
До практического устройства пока далеко. Исследователи проверили одиночную молекулярную систему в лабораторной установке, а непрерывное вращение после порогового напряжения пока следует из расчётной модели. Работа показывает более общий принцип: электрический ток способен одновременно приводить молекулу в направленное движение и менять проводимость контакта.