گروهی بین‌المللی از دانشمندان موفق شده‌اند موتوری الکتریکی در مقیاس یک مولکول بسازند که با عبور جریان برق به حرکت درمی‌آید و جهت چرخش آن با تغییر قطبیت ولتاژ قابل کنترل است. این دستاورد می‌تواند مسیر تازه‌ای برای ساخت قطعات الکترونیکی در ابعاد بسیار کوچک و توسعه فناوری‌های مولکولی ایجاد کند.

این ماشین مولکولی با الهام از پیچ ارشمیدس طراحی شده است؛ وسیله‌ای که بیش از دو هزار سال پیش برای انتقال آب به ارتفاع بالاتر به کار می‌رفت. در این دستگاه قدیمی، یک ساختار مارپیچی با چرخش خود آب را جابه‌جا می‌کند. دانشمندان اکنون همین اصل را در مقیاس یک مولکول به کار گرفته‌اند، با این تفاوت که به‌جای آب، الکترون‌ها از ساختار مارپیچی عبور می‌کنند و باعث چرخش آن می‌شوند.

در مرکز این فناوری، مولکولی مارپیچی به نام هلیکین قرار دارد که گروه پژوهشی مایکل پیتلکو در دانشگاه کپنهاگ آن را برای این آزمایش طراحی کرده است. این مولکول از طریق اتم‌های گوگرد به سطوح طلا متصل می‌شود.

پژوهشگران مؤسسه علوم وایزمن در اسرائیل، به سرپرستی اورن تال و آنیل کومار سینگ، یک مولکول را میان دو الکترود طلا با نوک‌هایی در ابعاد اتمی قرار دادند. آن‌ها با تغییر فاصله میان این دو الکترود توانستند مولکول مارپیچی را اندکی بکشند یا فشرده کنند.

هنگامی که ولتاژ الکتریکی اعمال شد، اندازه‌گیری‌ها نشان داد مولکول شروع به حرکت چرخشی می‌کند. نکته مهم این بود که جهت چرخش با تغییر قطبیت ولتاژ معکوس می‌شد. به این ترتیب، پژوهشگران توانستند حرکت یک موتور مولکولی متصل به دو الکترود فلزی را به‌طور کنترل‌شده هدایت کنند.

عامل ایجاد این حرکت، خود الکترون‌هایی هستند که از مولکول عبور می‌کنند. این الکترون‌ها هنگام حرکت، تکانه زاویه‌ای به ساختار مارپیچی منتقل می‌کنند و آن را به چرخش درمی‌آورند؛ فرایندی که از نظر اصول فیزیکی به چرخیدن توربین در اثر جریان هوا شباهت دارد.

اما یافته مهم دیگر پژوهش، ارتباط میان چرخش مولکول و توانایی آن در انتقال جریان برق بود. گروهی از فیزیک‌دانان دانشگاه آگسبورگ آلمان با استفاده از شبیه‌سازی‌های مکانیک کوانتومی روی ابررایانه، این پدیده را بررسی کردند.

محاسبات آن‌ها نشان داد رسانایی مولکول به زاویه چرخش آن وابسته است و در جریان حرکت می‌تواند تا دو مرتبه بزرگی، یعنی حدود ۱۰۰ برابر، افزایش پیدا کند. به بیان دیگر، چرخش مولکول فقط نتیجه عبور جریان برق نیست، بلکه خود این حرکت نیز باعث می‌شود مولکول در موقعیت‌هایی قرار بگیرد که انتقال جریان الکتریکی در آن‌ها آسان‌تر است.

پژوهشگران می‌گویند این کشف می‌تواند در آینده برای طراحی قطعات الکترونیکی مولکولی، فناوری اسپین‌ترونیک و سامانه‌های میکروسیالی کاربرد داشته باشد. اسپین‌ترونیک شاخه‌ای از فناوری است که علاوه بر بار الکتریکی، از ویژگی دیگری از الکترون به نام اسپین نیز برای انتقال و پردازش اطلاعات استفاده می‌کند.

با این حال، این دستاورد هنوز یک پژوهش بنیادی در مقیاس مولکولی است و به معنای تولید دستگاه‌های الکترونیکی آماده استفاده نیست. محققان امیدوارند اصل عملکرد این ماشین در آینده به طراحی نسل تازه‌ای از تجهیزات بسیار کوچک کمک کند.

نتایج این پژوهش با عنوان «ماشین مولکولی محرک جریان با رسانایی تقویت‌شده بر اثر چرخش»  در نشریه علمی نیچر منتشر شده است.