צוות בינלאומי בהשתתפות מכון ויצמן בנה בורג ארכימדס מולקולרי: מולקולה סלילית אחת שמסתובבת כשזרם חשמלי עובר דרכה. בזמן הסיבוב המוליכות שלה עשויה לעלות עד פי 100.
בורג ארכימדס הוא אחת ההמצאות העתיקות בהנדסה. הוא בנוי מסליל שמסתובב בתוך צינור ומעלה מים למעלה. כעת חוקרים הראו שאפשר להפעיל את העיקרון הזה גם הפוך, ובקנה מידה של מולקולה בודדת. במקרה הזה, זרם של אלקטרונים הוא שמניע את הסליל.
המחקר ראה אור בכתב העת Nature. את הניסויים ערכו פרופ' אורן טל וד"ר אניל קומאר סינג ממכון ויצמן למדע. צוות של פרופ' מיכאל פיטלקוב מאוניברסיטת קופנהגן סינתז את המולקולה. בנוסף, צוות של פרופ' פביאן פאולי מאוניברסיטת אאוגסבורג בגרמניה ביצע את החישובים התאורטיים. חוקרים ממכון נילס בוהר ומאוניברסיטת הואז'ונג בסין השתתפו גם הם.
איך פועל בורג ארכימדס מולקולרי
לב המערכת הוא מולקולה סלילית מסוג הליצן. אורכה כמה ננומטרים בלבד, כלומר מיליוניות של מילימטר. כמו כן, בשני קצותיה יש אטומי גופרית שנקשרים לזהב. לאחר מכן, החוקרים במכון ויצמן חיברו מולקולה אחת בין שני חודים דקים במיוחד של זהב.
כאשר החוקרים מפעילים מתח חשמלי, אלקטרונים זורמים דרך הסליל. בדרכם הם מעבירים לו תנע זוויתי, והמולקולה מתחילה להסתובב. כיוון הליפוף של הסליל קובע את כיוון הסיבוב. בנוסף, היפוך הקוטביות של המתח הופך גם את כיוון הסיבוב.
לפי הסימולציות, מעל מתח סף מסוים התנועה משתנה. במקום תזוזה בצעדים, המולקולה עוברת לסיבוב רציף. כמו כן, החוקרים יכלו למתוח או לכווץ את המולקולה בעזרת שינוי המרחק בין חודי הזהב. כך הם שינו את המתח שבו מתחילה העלייה בזרם.
מוליכות שעולה פי 100
למעשה, הממצא המפתיע נוגע למוליכות החשמלית. בזמן הסיבוב, המוליכות של המולקולה עולה בעד שני סדרי גודל, כלומר עד פי 100 בערך. הסימולציות מסבירות את התופעה. במנוחה המולקולה נמנעת מתנוחות מסוימות. לעומת זאת, הסיבוב מביא אותה גם לתנוחות האלה, ודרכן הזרם עובר ביתר קלות.
"רק הסיבוב הופך את התנוחות האלה לנגישות", אמר לאון מרטין, דוקטורנט באוניברסיטת אאוגסבורג. חשוב לציין שבניסוי עצמו אין רואים את המולקולה מסתובבת. "בניסוי רואים רק את הזרם", הסביר החוקר יוטה איטו. לכן החישובים הממוחשבים היו חיוניים לפענוח התנועה. החוקרים הריצו אותם על מחשב העל LiCCA באאוגסבורג.
למה זה חשוב
"זהו עיקרון פעולה חדש למכונות בגבולות המזעור", אמר פאולי. לדברי החוקרים, הזרם החשמלי יכול לייצר סיבוב מכוון של מולקולה, והסיבוב עצמו משנה את המוליכות. לכן הם רואים שימושים אפשריים באלקטרוניקה מולקולרית, בספינטרוניקה ובמיקרופלואידיקה. עם זאת, ההתקן הוא עדיין אב טיפוס מעבדתי. הביצועים המעשיים של התקן כזה טרם הוכחו.
שאלות ותשובות
מהו בורג ארכימדס?
זהו מתקן עתיק להעלאת מים. סליל מסתובב בתוך צינור משופע ומעלה את המים כלפי מעלה. במחקר החדש התהליך הפוך: הזרם החשמלי הוא שמסובב את הסליל המולקולרי.
מה גורם למולקולה להסתובב?
האלקטרונים שעוברים דרך הסליל מעבירים לו תנע זוויתי. כיוון הליפוף של הסליל וקוטביות המתח קובעים יחד את כיוון הסיבוב.
מה תפקידו של מכון ויצמן במחקר?
צוותו של פרופ' אורן טל ערך את הניסויים. החוקרים חיברו מולקולה בודדת בין שני חודי זהב ומדדו את הזרם שעבר דרכה.
האם יש לכך שימוש מעשי כבר עכשיו?
עדיין לא. זהו אב טיפוס מעבדתי. החוקרים מצביעים על שימושים אפשריים בעתיד באלקטרוניקה מולקולרית ובספינטרוניקה.
המאמר המדעי
Current-Driven Molecular Machine with Rotation-Enhanced Conductance – Nature
עוד בנושא באתר הידען
- כך מכונות מולקולריות פורמות חלבונים שהסתבכו
- מי ייסע במכונית מולקולרית? – כיצד מולקולות הפכו למכונות
- חוקרים יצרו דיודה שגודלה מולקולה אחת
- גשר צר מאוד: האם ניתן לייצר רכיבים אלקטרוניים ממולקולות בודדות?
- 'בורג ארכימדס' העשוי כולו מאור
מקור: הודעת אוניברסיטת אאוגסבורג ב־EurekAlert
