آلات مستوحاة من اللولب الأرخميدي تعزز قدرة المحركات الدقيقة على زيادة التيار

استلهمت الآلات من مضخات المياه القديمة لتعمل الآن على مقياس جزيئي واحد. قامت مجموعة من الباحثين الدوليين ببناء محرك دقيق يستخدم التيار الكهربائي لتحريك جزيئات لولبية، حيث يمكن أن تعزز هذه الحركة التيار المار بها حتى 100 مرة. يفتح هذا الاكتشاف طريقة جديدة لربط الحركة الميكانيكية بالطاقة الكهربائية على أصغر المقاييس، مما يفتح آفاقًا جديدة في علم الإلكترونيات الجزيئية. قضى العلماء عقودًا من الزمن في محاولة بناء آلات جزيئية مستوحاة من الحركة داخل الخلايا البيولوجية. ومع ذلك، لا يزال من التحديات جعل الجزيئات تدور بشكل متوقع تحت التيار مع الحفاظ على الاتصال الكهربائي مع الأقطاب المعدنية.

تظهر هذه الآلية الجديدة دورانًا يتحكم فيه الجهد الكهربائي، مع تفضيل اتجاهي بنسبة 100%، مستخدمة مبدأ يعود إلى أكثر من 2000 عام.

مبدأ الدوران المعتمد على الجهد الكهربائي

قال أحد مؤلفي البحث، فابيان باولي من جامعة أوغسبورغ في ألمانيا: "لقد أظهرنا أن التيار يمكن استخدامه لإنتاج دوران موجه، والذي بدوره يتحكم في التيار. هذه هي مبدأ تشغيل جديد للآلات عند حدود التصغير." استلهم الباحثون من تصميم اللولب الأرخميدي، وهو جهاز قديم يحتوي على شفرات لولبية، وعند دورانه يمكنه رفع الماء أو المواد الصلبة. في هذه الآلة الجديدة، ينتج التيار المار عبر هيكل ملتوي مشابه عزم الدوران الذي يدفع الجزيئات للدوران. لم يعد هذا الحركة يعتمد على أدوات ميكانيكية خارجية، بل يتم دفعه بواسطة التيار نفسه.

المكون الأساسي للمحرك هو جزيء لولبي مُفعل بمجموعات ثنائي الكبريتيد (13)، تم تصنيعه خصيصًا بواسطة فريق ميخائيل بيتركو من جامعة كوبنهاغن. يبلغ حجم هذا الجزيء بضع نانومترات، ويمكن أن يرتبط بسطح الذهب عبر ذرات الكبريت. قام الباحثون في معهد وايزمان للعلوم في إسرائيل، بقيادة أورين تال وأنيل كومار سينغ، بربط جزيء واحد بين طرفين دقيقين من الذهب. توفر هذه الأقطاب مسارًا للتيار للمرور عبر الجزيء. من خلال تعديل المسافة بين الطرفين، يمكن للفريق تمديد أو ضغط الهيكل الجزيئي، مما يغير الجهد الكهربائي الذي يبدأ عنده تعزيز التيار.

عندما يطبق الباحثون جهدًا كهربائيًا، يخضع الجزيء لحركة دورانية موجهة بوضوح. يؤدي عكس قطبية الجهد إلى عكس اتجاه الدوران. وهذا يمكّن الفريق من التحكم في حركة المحرك دون الحاجة إلى عمليات ميكانيكية. هذه الحركة مدفوعة بقوة ناتجة عن التيار: مع مرور الإلكترونات عبر الجزيء اللولبي، تنقل الزخم الزاوي إلى الجزيء. تساعد خاصية الجزيء في تحديد اتجاه الدوران، تمامًا كما تحدد خيوط البراغي التقليدية اتجاه تقدمها. أثبت الباحثون أنه يمكن تغيير الاتجاه من خلال عكس قطبية الجهد.

التأثير المذهل للموصلية الجزيئية

طور باحثون آخرون آلات نانوية جزيئية تعتمد على الحمض النووي، على الرغم من أنها تستخدم مصادر طاقة مختلفة لإنتاج الحركة. كما لاحظ مؤلفو الدراسة تأثيرًا كهربائيًا مذهلاً: بمجرد بدء حركة الجزيء، يمكن أن يرتفع التيار بشكل حاد. لفهم السبب وراء ذلك، أجروا محاكاة ميكانيكا الكم على حاسوب LiCCA الفائق. أظهرت حساباتهم أن الجزيء يتصرف بشكل مختلف في موصلية الكهرباء عند زوايا دوران مختلفة. مع الدوران، يمكنه الوصول إلى تكوينات تسمح بتدفق الإلكترونات بشكل أسهل، مما يؤدي إلى زيادة الموصلية حتى مرتين، أي حوالي 100 مرة.

قال ليون مارتن، أحد الباحثين: "من المدهش أن الموصلية تكون في أفضل حالاتها عندما يكون الجزيء في مواضع معينة أثناء السكون. فقط الدوران يمكنه جعل هذه المواضع متاحة." بعد ذلك، طور الباحثون نموذجًا مبسطًا يعيد إنتاج الحركة والدوران المعزز التي تم ملاحظتها. كما توقعت حساباتهم أنه عندما يتجاوز الجهد حدًا معينًا، يمكن للجزيء الانتقال من حركة تدريجية إلى دوران مستمر. هذه الحسابات هي جزء من جهد أوسع لفهم سبب كون المحاكاة الجزيئية لا تزال تمثل تحديًا. قال أحد مؤلفي الدراسة، يوتا إيتو: "في التجارب، يمكنك فقط رؤية التيار.

تتيح لنا حساباتنا إلقاء نظرة على ما يحدث داخل التلامس النانوي."

إمكانات التطبيقات المستقبلية

يمكن أن تساعد هذه الاكتشافات الباحثين في تطوير مكونات إلكترونية جزيئية، وأجهزة إلكترونية تعتمد على الدوران (تستخدم دوران الإلكترونات لمعالجة المعلومات)، وأنظمة دقيقة للتحكم في السوائل. كما توفر وسيلة لدراسة تفاعل الحركة الميكانيكية مع نقل الكهرباء على المستوى الجزيئي. ومع ذلك، لا تزال هذه الآلة نموذجًا تجريبيًا يعتمد على جزيء واحد بين الأقطاب الذهبية، ولم يتم تحديد أدائها في الأجهزة الفعلية، ولا تزال التطبيقات المقترحة احتمالات وليست استخدامات مثبتة. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحديد سلوك المحرك تحت ظروف تشغيل مختلفة، وما إذا كان يمكن دمج هذا المبدأ في تقنيات الجزيئات الوظيفية.

تم نشر هذه الدراسة في مجلة Nature.