- 微型马达利用电流驱动螺旋分子旋转，增强电流可达100倍。
- 该装置展示了电压控制的旋转，具有100%的方向偏好。
- 分子在静止时的导电性最佳，旋转使其可达最佳位置。
- 研究可能促进分子电子元件及微型流体系统的发展。
受到古老水泵启发的机器现在能够在单一分子尺度上运作。一组国际研究人员建造了一个微型马达，利用电流驱动螺旋形分子旋转，而这种运动本身可以使流经的电流增强多达 100 倍。这一发现建立了一种在最小尺度上耦合机械运动与电力的新方法，为分子电子学开辟了新的可能性。科学家们花费了数十年时间试图建造受到生物细胞内部运动的马达启发的人工分子机器。然而，在保持与金属电极的电接触的同时，使分子在电流下可预测地旋转仍然是一项挑战。
这种新装置展示了电压控制的旋转，具有 100% 的方向偏好，使用了一种追溯到 2000 多年前的原理。
电压控制的旋转原理
德国奥斯堡大学的研究作者之一法比安·保利表示：“我们已经展示了电流可以用来产生定向旋转，而这种旋转又反过来控制电流。这是微型化极限下机器的一种新操作原则。”研究人员从阿基米德螺旋的设计中获取灵感，这是一种古老的设备，内部有螺旋刀片，当旋转时可以提升水或固体。在这种新机器中，流经相似扭曲结构的电子产生了使其旋转的扭矩。这种运动不再依赖外部机械工具，而是由电流本身驱动。
该马达的核心组件是一种具有二硫乙酰基功能的螺旋分子（13），由哥本哈根大学的迈克尔·皮特科夫的团队专门合成。这种分子仅有几纳米，可以通过硫原子附着在金表面。以色列魏茨曼科学研究所的研究人员，由奥伦·塔尔和阿尼尔·库马尔·辛格领导，将单个分子连接在两个极细金尖端之间。这些电极为电流提供了通过分子的路径。通过调整尖端之间的距离，团队可以拉伸或压缩分子结构，改变电流增强开始的电压。
当研究人员施加电压时，分子经历了明确方向偏好的循环运动。反转电压的极性则反转了旋转方向。这使得团队能够在不进行物理操作的情况下控制马达的运动。这种运动是由电流引起的力驱动的：随着电子通过螺旋分子，它们将角动量转移给分子。分子的手性有助于确定旋转的方向，就像传统螺丝的螺纹决定了其进展方向一样。研究人员证明，通过反转电压极性可以改变方向。
分子导电性的惊人效应
其他研究者也开发了基于 DNA 的分子纳米机器，虽然它们使用不同的能量来源来产生运动。该研究的作者还观察到一种惊人的电学效应：一旦分子开始运动，电流可以急剧上升。为了理解其中原因，他们在 LiCCA 超级计算机上进行了量子力学模拟。他们的计算显示，分子在不同的旋转角度下导电的方式截然不同。随着旋转，它可以访问允许电子更容易流动的构型，导致导电性提高多达两个数量级，约 100 倍。
研究人员之一的莱昂·马丁表示：“令人惊讶的是，正是分子在静止时避免的位置导电性最好。只有旋转才能使这些位置可达。”接下来，研究人员开发了一个简化模型，重现了观察到的旋转和电流增强。他们的计算还预测，当电压超过某个阈值时，分子可以从逐步运动过渡到持续旋转。这些计算是更广泛努力的一部分，旨在理解为何分子模拟依然具有挑战性。研究作者之一的伊藤优太表示：“在实验中，您只能看到电流。
我们的计算使我们得以窥见纳米接触内部发生的情况。”
未来应用的潜力
这些发现可能有助于研究人员开发分子电子元件、自旋电子设备（利用电子自旋处理信息）及微型流体操纵系统。它们还提供了一种方式来研究在分子尺度上机械运动与电传输的相互作用。然而，该装置仍然是一个基于单个分子在金电极之间的实验室原型，其在实际设备中的表现尚未确立，提出的应用仍然是可能性而非实证用途。需要进一步研究来确定马达在不同操作条件下的行为，以及该原理是否能够融入功能性分子技术。
该研究发表在《自然》期刊上。
项目 规格 核心分子 二硫乙酰基功能化螺旋分子 电流增强 高达 100 倍 旋转方向控制 100% 方向偏好
微型马达技术的潜在影响
这项研究展示了如何在分子尺度上实现机械运动与电流的耦合，为分子电子学的进步提供了新思路。通过古老的阿基米德螺旋原理，研究人员成功地将电流转化为旋转运动，并进一步增强电流，这对于未来的电子元件及微型流体系统的开发具有重要意义。尽管目前仍处于实验室原型阶段，但这些发现为进一步探索功能性分子技术铺平了道路，显示出未来在纳米技术领域的广泛应用潜力。