Mikro Motor Terinspirasi dari Mesin Spiral Archimedes Mampu Meningkatkan Arus Listrik

Terinspirasi oleh pompa air kuno, mesin ini kini dapat beroperasi pada skala molekuler tunggal. Sekelompok peneliti internasional telah membangun sebuah motor mikro yang memanfaatkan arus untuk memutar molekul berbentuk spiral, dan gerakan ini dapat meningkatkan arus yang mengalir hingga 100 kali lipat. Penemuan ini membangun cara baru untuk menghubungkan gerakan mekanis dengan listrik pada skala terkecil, membuka kemungkinan baru untuk elektronika molekuler. Para ilmuwan telah menghabiskan puluhan tahun mencoba membangun mesin molekuler buatan yang terinspirasi oleh gerakan di dalam sel biologis. Namun, menjaga rotasi molekul yang dapat diprediksi di bawah arus sambil tetap terhubung secara elektrik dengan elektroda logam tetap menjadi tantangan.

Perangkat baru ini menunjukkan rotasi yang dikendalikan oleh tegangan, dengan preferensi arah 100%, menggunakan prinsip yang telah ada sejak lebih dari 2000 tahun yang lalu.

Prinsip Rotasi yang Dikendalikan Tegangan

Fabian Pauli, salah satu penulis penelitian dari Universitas Augsburg di Jerman, menyatakan: "Kami telah menunjukkan bahwa arus dapat digunakan untuk menghasilkan rotasi terarah, yang pada gilirannya mengontrol arus. Ini adalah prinsip operasi baru untuk mesin pada batas miniaturisasi." Para peneliti terinspirasi oleh desain spiral Archimedes, sebuah perangkat kuno yang memiliki bilah spiral di dalamnya yang dapat mengangkat air atau padatan saat berputar. Dalam mesin baru ini, elektron yang mengalir melalui struktur yang terdistorsi serupa menghasilkan torsi yang memutar molekul. Gerakan ini tidak lagi bergantung pada alat mekanis eksternal, tetapi didorong oleh arus itu sendiri.

Komponen inti dari motor ini adalah molekul spiral yang difungsikan dengan disulfida asetil (13), yang disintesis secara khusus oleh tim Michael Peterkov dari Universitas Kopenhagen. Molekul ini hanya beberapa nanometer dan dapat menempel pada permukaan emas melalui atom sulfur. Peneliti dari Weizmann Institute of Science di Israel, yang dipimpin oleh Oren Tal dan Anil Kumar Singh, menghubungkan molekul tunggal di antara dua ujung emas yang sangat tipis. Elektroda ini menyediakan jalur bagi arus untuk mengalir melalui molekul. Dengan mengatur jarak antara ujung-ujung tersebut, tim dapat meregangkan atau mengompresi struktur molekul, mengubah tegangan di mana peningkatan arus mulai terjadi.

Ketika peneliti menerapkan tegangan, molekul mengalami gerakan siklik dengan preferensi arah yang jelas. Membalik polaritas tegangan membalikkan arah rotasi. Ini memungkinkan tim untuk mengontrol gerakan motor tanpa melakukan operasi fisik. Gerakan ini didorong oleh gaya yang dihasilkan oleh arus: saat elektron melewati molekul spiral, mereka mentransfer momentum sudut ke molekul. Kiri-kanan molekul membantu menentukan arah rotasi, mirip dengan bagaimana ulir sekrup tradisional menentukan arah kemajuannya. Para peneliti membuktikan bahwa membalik polaritas tegangan dapat mengubah arah.

Efek Menakjubkan pada Konduktivitas Molekuler

Peneliti lain juga telah mengembangkan mesin nano molekuler berbasis DNA, meskipun mereka menggunakan sumber energi yang berbeda untuk menghasilkan gerakan. Penulis penelitian ini juga mengamati efek listrik yang mengejutkan: setelah molekul mulai bergerak, arus dapat meningkat secara dramatis. Untuk memahami penyebabnya, mereka melakukan simulasi mekanika kuantum di superkomputer LiCCA. Perhitungan mereka menunjukkan bahwa cara molekul mengalirkan listrik sangat berbeda pada sudut rotasi yang berbeda. Saat berputar, molekul dapat mengakses konfigurasi yang memungkinkan elektron mengalir lebih mudah, meningkatkan konduktivitas hingga dua urutan magnitudo, sekitar 100 kali lipat.

Leon Martin, salah satu peneliti, menyatakan: "Yang mengejutkan adalah bahwa konduktivitas terbaik terjadi pada posisi di mana molekul menghindari saat diam. Hanya dengan berputar posisi tersebut dapat dijangkau." Selanjutnya, para peneliti mengembangkan model yang disederhanakan untuk mereproduksi rotasi dan peningkatan arus yang teramati. Perhitungan mereka juga memprediksi bahwa ketika tegangan melebihi ambang tertentu, molekul dapat bertransisi dari gerakan bertahap ke rotasi berkelanjutan. Perhitungan ini merupakan bagian dari upaya yang lebih luas untuk memahami mengapa simulasi molekuler tetap menjadi tantangan. Salah satu penulis penelitian, Yuta Ito, menyatakan: "Dalam eksperimen, Anda hanya dapat melihat arus.

Perhitungan kami memungkinkan kami untuk melihat apa yang terjadi di dalam kontak nano."

Potensi Aplikasi di Masa Depan

Temuan ini dapat membantu peneliti mengembangkan komponen elektronik molekuler, perangkat spintronik (yang memanfaatkan spin elektron untuk memproses informasi), dan sistem manipulasi mikrofluida. Temuan ini juga menyediakan cara untuk mempelajari interaksi antara gerakan mekanis dan transportasi listrik pada skala molekuler. Namun, perangkat ini masih merupakan prototipe laboratorium yang berbasis pada molekul tunggal di antara elektroda emas, dan kinerjanya dalam perangkat nyata belum ditetapkan, sehingga aplikasi yang diusulkan masih merupakan kemungkinan dan bukan penggunaan yang terbukti. Penelitian lebih lanjut diperlukan untuk menentukan perilaku motor di bawah berbagai kondisi operasi, serta apakah prinsip ini dapat diintegrasikan ke dalam teknologi molekuler fungsional.

Penelitian ini dipublikasikan di jurnal Nature.