- 微型馬達利用電流驅動螺旋分子旋轉，增強電流可達100倍。
- 該裝置展示了電壓控制的旋轉，具有100%的方向偏好。
- 分子在靜止時的導電性最佳，旋轉使其可達最佳位置。
- 研究可能促進分子電子元件及微型流體系統的發展。
受到古老水泵啟發的機器現在能夠在單一分子尺度上運作。一組國際研究人員建造了一個微型馬達，利用電流驅動螺旋形分子旋轉，而這種運動本身可以使流經的電流增強多達 100 倍。這一發現建立了一種在最小尺度上耦合機械運動與電力的新方法，為分子電子學開闢了新的可能性。科學家們花費了數十年時間試圖建造受到生物細胞內部運動的馬達啟發的人工分子機器。然而，在保持與金屬電極的電接觸的同時，使分子在電流下可預測地旋轉仍然是一項挑戰。
這種新裝置展示了電壓控制的旋轉，具有 100% 的方向偏好，使用了一種追溯到 2000 多年前的原理。
電壓控制的旋轉原理
德國奧斯堡大學的研究作者之一法比安·保利表示：「我們已經展示了電流可以用來產生定向旋轉，而這種旋轉又反過來控制電流。這是微型化極限下機器的一種新操作原則。」研究人員從阿基米德螺旋的設計中獲取靈感，這是一種古老的設備，內部有螺旋刀片，當旋轉時可以提升水或固體。在這種新機器中，流經相似扭曲結構的電子產生了使其旋轉的扭矩。這種運動不再依賴外部機械工具，而是由電流本身驅動。
該馬達的核心組件是一種具有二硫乙酰基功能的螺旋分子（13），由哥本哈根大學的邁克爾·皮特科夫的團隊專門合成。這種分子僅有幾納米，可以通過硫原子附著在金表面。以色列魏茨曼科學研究所的研究人員，由奧倫·塔爾和阿尼爾·庫馬爾·辛格領導，將單個分子連接在兩個極細金尖端之間。這些電極為電流提供了通過分子的路徑。通過調整尖端之間的距離，團隊可以拉伸或壓縮分子結構，改變電流增強開始的電壓。
當研究人員施加電壓時，分子經歷了明確方向偏好的循環運動。反轉電壓的極性則反轉了旋轉方向。這使得團隊能夠在不進行物理操作的情況下控制馬達的運動。這種運動是由電流引起的力驅動的：隨著電子通過螺旋分子，它們將角動量轉移給分子。分子的手性有助於確定旋轉的方向，就像傳統螺絲的螺紋決定了其進展方向一樣。研究人員證明，通過反轉電壓極性可以改變方向。
分子導電性的驚人效應
其他研究者也開發了基於 DNA 的分子納米機器，雖然它們使用不同的能量來源來產生運動。該研究的作者還觀察到一種驚人的電學效應：一旦分子開始運動，電流可以急劇上升。為了理解其中原因，他們在 LiCCA 超級計算機上進行了量子力學模擬。他們的計算顯示，分子在不同的旋轉角度下導電的方式截然不同。隨著旋轉，它可以訪問允許電子更容易流動的構型，導致導電性提高多達兩個數量級，約 100 倍。
研究人員之一的萊昂·馬丁表示：「令人驚訝的是，正是分子在靜止時避免的位置導電性最好。只有旋轉才能使這些位置可達。」接下來，研究人員開發了一個簡化模型，重現了觀察到的旋轉和電流增強。他們的計算還預測，當電壓超過某個閾值時，分子可以從逐步運動過渡到持續旋轉。這些計算是更廣泛努力的一部分，旨在理解為何分子模擬依然具有挑戰性。研究作者之一的伊藤優太表示：「在實驗中，您只能看到電流。
我們的計算使我們得以窺見納米接觸內部發生的情況。」
未來應用的潛力
這些發現可能有助於研究人員開發分子電子元件、自旋電子設備（利用電子自旋處理資訊）及微型流體操縱系統。它們還提供了一種方式來研究在分子尺度上機械運動與電傳輸的相互作用。然而，該裝置仍然是一個基於單個分子在金電極之間的實驗室原型，其在實際設備中的表現尚未確立，提出的應用仍然是可能性而非實證用途。需要進一步研究來確定馬達在不同操作條件下的行為，以及該原理是否能夠融入功能性分子技術。
該研究發表在《自然》期刊上。
項目 規格 核心分子 二硫乙酰基功能化螺旋分子 電流增強 高達 100 倍 旋轉方向控制 100% 方向偏好
微型馬達技術的潛在影響
這項研究展示了如何在分子尺度上實現機械運動與電流的耦合，為分子電子學的進步提供了新思路。透過古老的阿基米德螺旋原理，研究人員成功地將電流轉化為旋轉運動，並進一步增強電流，這對於未來的電子元件及微型流體系統的開發具有重要意義。儘管目前仍處於實驗室原型階段，但這些發現為進一步探索功能性分子技術鋪平了道路，顯示出未來在納米技術領域的廣泛應用潛力。