แรงบันดาลใจจากเครื่องสูบน้ำโบราณ อุปกรณ์ขนาดเล็กสามารถทำงานในระดับโมเลกุลได้

อุปกรณ์ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากเครื่องสูบน้ำโบราณสามารถทำงานในระดับโมเลกุลได้ ทีมงานนักวิจัยนานาชาติได้สร้างมอเตอร์ขนาดเล็กที่ใช้กระแสไฟฟ้าขับเคลื่อนโมเลกุลที่มีรูปทรงเกลียวหมุน ซึ่งการเคลื่อนไหวนี้สามารถทำให้กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านเพิ่มขึ้นได้ถึง 100 เท่า การค้นพบนี้ได้สร้างวิธีการใหม่ในการเชื่อมโยงการเคลื่อนไหวทางกลกับพลังงานไฟฟ้าในระดับที่เล็กที่สุด เปิดโอกาสใหม่สำหรับอิเล็กทรอนิกส์โมเลกุล นักวิทยาศาสตร์ใช้เวลาหลายสิบปีในการพยายามสร้างเครื่องจักรโมเลกุลที่ได้รับแรงบันดาลใจจากการเคลื่อนไหวภายในเซลล์ชีวภาพ อย่างไรก็ตาม การทำให้โมเลกุลหมุนได้อย่างคาดเดาได้ในขณะที่ยังคงสัมผัสกับอิเล็กโทรดโลหะยังคงเป็นความท้าทาย

อุปกรณ์ใหม่แสดงให้เห็นถึงการควบคุมการหมุนด้วยแรงดันไฟฟ้า โดยมีความชอบทิศทางถึง 100% โดยใช้หลักการที่ย้อนกลับไปเมื่อกว่า 2000 ปีที่แล้ว

หลักการควบคุมการหมุนด้วยแรงดันไฟฟ้า

ฟาเบียน โพลี หนึ่งในนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยออสบวร์ก ประเทศเยอรมนี กล่าวว่า "เราได้แสดงให้เห็นว่ากระแสไฟฟ้าสามารถใช้สร้างการหมุนที่มีทิศทาง ซึ่งการหมุนนี้จะควบคุมกระแสไฟฟ้าอีกครั้ง นี่คือหลักการการทำงานใหม่ของเครื่องจักรในขอบเขตของการทำให้เล็กลง" นักวิจัยได้รับแรงบันดาลใจจากการออกแบบของเกลียวอาร์คิมีเดส ซึ่งเป็นอุปกรณ์โบราณที่มีใบมีดเกลียวภายใน ซึ่งสามารถยกน้ำหรือของแข็งเมื่อหมุน ในเครื่องจักรใหม่นี้ กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านโครงสร้างที่บิดเบี้ยวคล้ายกันจะสร้างแรงบิดที่ทำให้มันหมุน การเคลื่อนไหวนี้ไม่ต้องพึ่งพาเครื่องมือกลภายนอก แต่ถูกขับเคลื่อนโดยกระแสไฟฟ้าเอง

ส่วนประกอบหลักของมอเตอร์คือโมเลกุลเกลียวที่มีฟังก์ชันไดซัลไฟด์อะเซทิล (13) ซึ่งทีมงานจากมหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกนได้สังเคราะห์ขึ้นโดยเฉพาะ โมเลกุลนี้มีขนาดเพียงไม่กี่นาโนเมตรและสามารถติดกับพื้นผิวทองคำผ่านอะตอมซัลเฟอร์ นักวิจัยจากสถาบันวิทยาศาสตร์ไวซ์มันน์ในอิสราเอล โดยมีโอลเรน ทาล และอานิล คูมาร์ ซิงห์ เป็นผู้นำ ได้เชื่อมต่อโมเลกุลเดียวระหว่างปลายทองคำที่บางเฉียบสองจุด อิเล็กโทรดเหล่านี้ให้เส้นทางสำหรับกระแสไฟฟ้าในการไหลผ่านโมเลกุล โดยการปรับระยะห่างระหว่างปลาย ทีมงานสามารถยืดหรือบีบโครงสร้างโมเลกุล เปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าที่เริ่มต้นการเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้า

เมื่อทีมวิจัยใช้แรงดันไฟฟ้า โมเลกุลจะประสบกับการเคลื่อนไหวที่มีทิศทางชัดเจน การกลับทิศทางของแรงดันไฟฟ้าจะกลับทิศทางการหมุน ซึ่งทำให้ทีมสามารถควบคุมการเคลื่อนไหวของมอเตอร์ได้โดยไม่ต้องทำการเคลื่อนไหวทางกายภาพ การเคลื่อนไหวนี้เกิดจากแรงที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า: ขณะที่อิเล็กตรอนไหลผ่านโมเลกุลเกลียว พวกมันจะถ่ายโอนโมเมนตัมเชิงมุมให้กับโมเลกุล ความเป็นมืออาชีพของโมเลกุลช่วยกำหนดทิศทางการหมุน เหมือนกับเกลียวของสกรูที่กำหนดทิศทางการเคลื่อนที่ ทีมวิจัยได้พิสูจน์ว่าโดยการกลับทิศทางของแรงดันไฟฟ้าสามารถเปลี่ยนทิศทางได้

ผลกระทบที่น่าทึ่งของความนำไฟฟ้าโมเลกุล

นักวิจัยคนอื่น ๆ ยังได้พัฒนาเครื่องจักรนาโนโมเลกุลที่ใช้ DNA แม้ว่าจะใช้แหล่งพลังงานที่แตกต่างกันในการสร้างการเคลื่อนไหว ทีมงานวิจัยยังสังเกตเห็นผลกระทบทางไฟฟ้าที่น่าทึ่ง: เมื่อโมเลกุลเริ่มเคลื่อนไหว กระแสไฟฟ้าสามารถเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เพื่อทำความเข้าใจสาเหตุ พวกเขาได้ทำการจำลองควอนตัมที่ LiCCA ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ การคำนวณของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าโมเลกุลมีวิธีการนำไฟฟ้าที่แตกต่างกันในมุมการหมุนที่แตกต่างกัน ขณะที่หมุน มันสามารถเข้าถึงรูปแบบที่ทำให้อิเล็กตรอนไหลได้ง่ายขึ้น ส่งผลให้ความนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นได้ถึงสองระดับประมาณ 100 เท่า

หนึ่งในนักวิจัย เลออน มาร์ติน กล่าวว่า "น่าประหลาดใจที่ความนำไฟฟ้าจะดีที่สุดเมื่อโมเลกุลอยู่ในตำแหน่งที่หลีกเลี่ยงเมื่ออยู่นิ่ง การหมุนเท่านั้นที่จะทำให้ตำแหน่งเหล่านี้สามารถเข้าถึงได้" ต่อไป ทีมวิจัยได้พัฒนารูปแบบที่เรียบง่ายเพื่อจำลองการหมุนและการเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้าที่สังเกตได้ การคำนวณของพวกเขายังคาดการณ์ว่าเมื่อแรงดันไฟฟ้าเกินค่าที่กำหนด โมเลกุลสามารถเปลี่ยนจากการเคลื่อนไหวแบบค่อยเป็นค่อยไปไปสู่การหมุนต่อเนื่อง การคำนวณเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของความพยายามที่กว้างขึ้นในการเข้าใจว่าทำไมการจำลองโมเลกุลยังคงเป็นความท้าทาย หนึ่งในผู้เขียนการวิจัย ยูตะ อิโตะ กล่าวว่า "ในทดลอง คุณจะเห็นเพียงกระแสไฟฟ้า

การคำนวณของเราทำให้เรามองเห็นสิ่งที่เกิดขึ้นภายในการติดต่อระดับนาโน"

ศักยภาพในการประยุกต์ใช้ในอนาคต

การค้นพบเหล่านี้อาจช่วยให้นักวิจัยพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โมเลกุล อุปกรณ์สปินอิเล็กทรอนิกส์ (ที่ใช้การหมุนของอิเล็กตรอนในการประมวลผลข้อมูล) และระบบการจัดการไมโครฟลูอิดิกส์ นอกจากนี้ยังให้วิธีการศึกษาเกี่ยวกับการเชื่อมโยงระหว่างการเคลื่อนไหวทางกลและการส่งผ่านไฟฟ้าในระดับโมเลกุล อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์นี้ยังคงเป็นต้นแบบในห้องปฏิบัติการที่อิงจากโมเลกุลเดียวระหว่างอิเล็กโทรดทองคำ ซึ่งประสิทธิภาพในอุปกรณ์จริงยังไม่ได้รับการยืนยัน การประยุกต์ใช้ที่เสนอจึงยังคงเป็นความเป็นไปได้มากกว่าการใช้งานที่พิสูจน์แล้ว ต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อกำหนดพฤติกรรมของมอเตอร์ภายใต้สภาวะการทำงานที่แตกต่างกัน และหลักการนี้สามารถนำไปใช้ในเทคโนโลยีโมเลกุลที่ทำงานได้หรือไม่

การวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature