Bilim insanları 2 binden fazla yıl önce icat edilmiş bir makineden ilhamla, elektrikle iki yönde dönebilen çığır açan bir elektrik akımıyla dönen moleküler motor geliştirdi. Daha da dikkat çekici olanı, bu motorun dönüşü elektrik iletkenliğini 100 kata kadar artırıyor ve moleküler elektroniğin geleceğini değiştirebilecek potansiyele sahip.
Bilim insanları elektrik geçtiğinde dönen dikkate değer yeni bir moleküler motor geliştirdi. Eski bir icaddan ilham alan minik makine, elektrik voltajının kutbu değiştirildiğinde yönünü tersine çevirebiliyor. Bu başarı, en küçük ölçekte çalışan makineler yaratma yolunda önemli bir adım.
Moleküler makineler, küçültme teknolojisinde umut vadeden bir sonraki sınır olarak görülüyor. Canlı hücrelerin içinde doğa zaten örnekler sunuyor; moleküler motorlar burada enerjiyi hareket üretmek için kullanıyor. Araştırmacılar bu olağanüstü biyolojik sistemleri yapay olarak yeniden yaratmaya on yıllardır çalışıyor ve bu alandaki ilerleme 2016 Kimya Nobel Ödülü ile tanındı.
Eski Bir İcat Moleküler Motoru İlham Verdi
Bilim insanları elektriği doğrudan kullanan moleküler motorları ilk kez 2011'de geliştirdi. Ancak o erken tasarımlar yüzeylerde çalışıyordu ve hareketlerini taramalı tünelleme mikroskobunun ucuna bağlıyordu.
Yeni motor farklı bir yaklaşım izliyor ve temel tasarımını kayıtlara geçmiş en eski makinelerden biri olan Arşimet vidasından alıyor. Geleneksel olarak suyu yukarı taşımak için kullanılan bu basit aygıt, dönen bir sarmalın malzemeyi taşımasına dayanıyor.
Araştırmacılar bu ilkeyi moleküler ölçeğe uyarladı. Suyu taşımak yerine, tasarımları elektronların sarmal şekilli bir molekül içinden geçmesine izin veriyor ve elektrik akımı geçerken molekülün dönmesine neden oluyor.
Altın Uçlar Arasında Asılı Minik Bir Moleküler Vida
Motorun merkezi bileşeni, Kopenhag Üniversitesi'nde Prof. Michael Pittelkow araştırma grubunun ürettiği özel olarak tasarlanmış sarmal bir molekül. Sadece birkaç milyonda bir milimetre boyutundaki molekül, kükürt atomları aracılığıyla altın yüzeylere tutunabiliyor.
İsrail'deki Weizmann Bilim Enstitüsü'nde Prof. Oren Tal ve Dr. Anil Kumar Singh liderliğindeki araştırmacılar, atomik boyuta kadar inceltilmiş iki altın uç arasına tek tek moleküller yerleştirdi. Bu elektrotlar arasındaki mesafeyi dikkatlice değiştirerek ekip, moleküler vidayı gerip sıkıştırabildi.
Bilim insanları elektrik voltajı uyguladığında ölçümler molekülün dönmeye başladığını gösterdi. Daha da önemlisi, voltajın kutbunu değiştirerek yönünü kolayca tersine çevirebildiler.
Bu, elektrik akımıyla çalışan, iki metal elektroda sağlam şekilde bağlı ve yönü kontrol edilebilen şekilde dönebilen bir moleküler motorun ilk gösterimi.
Elektrik Tek Bir Molekülü Nasıl Döndürüyor
Sürücü güç doğrudan sarmal molekül içinden geçen elektronlardan geliyor. Hareket ederken elektronlar açısal momentumu moleküler yapıya aktarıyor ve bu da dönen bir rüzgar türbini gibi dönüşe neden oluyor.
Sarmalın şekli bu akıma nasıl tepki vereceğini belirliyor; bu durum sağ veya sol dişli vidalar arasındaki farka benziyor. Uygulanan voltaj belirli bir eşiği aştığında hareket sürekli dönüşe dönüşüyor.
Ancak deneyler başka ilginç bir etkiyi de ortaya çıkardı. Dönen molekül, hareketsizken olduğundan çok daha verimli elektrik iletimi sağlıyordu ve bu da minik makinenin içinde neler olduğuyla ilgili önemli bir soruyu gündeme getirdi.
Bilim İnsanları Şaşırtıcı 100 Kat Elektrik Etkisini Keşfetti
Bu beklenmedik davranışı araştırmak için Augsburg Üniversitesi'nde Teorik Fizik I Kürsüsü'nde çalışan Prof. Dr. Fabian Pauly ve doktora öğrencileri Léon Martin ile Yuta Ito, LiCCA süper bilgisayarında kuantum mekaniksel simülasyonlar kullandı.
Hesaplamaları molekülün dönüşü ile elektrik akımını taşıma yeteneği arasında yakın bir ilişki olduğunu gösterdi. İletkenlik molekülün açısına göre dramatik şekilde değişiyor ve dönüş sırasında iki mertebe, yani 100 kat artabiliyor.
Neden özellikle şaşırtıcı çıktı. Elektriğin en kolay geçtiği moleküler konumların bazıları, molekül hareket halinde değilken doğal olarak kaçındığı konumlar. Dönüş bu yüksek iletken düzenlemelerin erişilebilir olmasını sağlıyor.
Léon Martin açıklıyor: "Şaşırtıcı olan, molekülün hareketsizken kaçındığı konumların tam olarak elektriği en iyi ileten konumlar olması. Bu konumların erişilebilir olmasını sağlayan şey yalnızca dönüş."
Bu bulgu, moleküler hareketin yalnızca elektrik enerjisi tüketmekten ibaret olmadığını gösteriyor. Hareketin kendisi, elektriğin makine içinden nasıl aktığını güçlü şekilde etkileyebiliyor.
Uluslararası İş Birliği Gizemi Çözdü
Araştırmacılar daha sonra Kopenhag'daki Niels Bohr Enstitüsü'nden teorik fizikçi Per Hedegård ve Wuhan'daki Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Jing-Tao Lü ile çalıştı.
Simülasyon sonuçlarını kullanarak bilim insanları, deneylerde gözlenen dönüşü ve buna eşlik eden elektrik akımındaki artışı başarıyla yeniden üreten basitleştirilmiş bir teorik model geliştirdi.
Deneysel ölçümler ile teorik hesaplamaların bu birleşimi mekanizmayı anlamak için elzemdi. Araştırmacılar molekül içinden geçen akımı ölçebilse de, bu son derece küçük ölçekte neler olduğunu belirlemek için simülasyonlara ihtiyaç duydu.
Japonya asıllı doktora öğrencisi Yuta Ito diyor ki: "Deneyde yalnızca akımı görüyorsunuz. Hesaplamalarımız nanokontaktın içinde neler olduğunu görmemize izin veriyor. Akımdaki artışın gizemi, birkaç ülke arasında deney ve teori arasında yakın iş birliği sayesinde çözülebildi."
Moleküler Elektronik İçin Yeni Bir Sınır
Bu başarı, elektronların elektrik yükünün ötesindeki özelliklerini kullanan spintronik teknolojileri de dahil olmak üzere moleküler elektronik bileşenlerin ve teknolojilerin geliştirilmesine katkıda bulunabilir. Ayrıca son derece küçük sıvı miktarlarını manipüle eden mikroakışkan sistemler için de olanak sağlayabilir.
Bu potansiyel uygulamaların ötesinde, motor bilim insanlarına atomik ölçekte fiziksel süreçleri araştırmak için yeni bir yol sunuyor. Elektriği kontrollü dönüşe çevirme yeteneği ve bu dönüşün elektrik akımını etkilemesine izin vermesi, son derece küçük makineler tasarlamak için yeni bir ilke getiriyor.
Pauly açıklıyor: "Elektrik akımının yönlü bir dönüş oluşturmak için kullanılabileceğini ve bu dönüşün de akımı kontrol ettiğini gösterdik. Bu, küçültmenin en uç sınırlarındaki makineler için yeni bir çalışma ilkesi."
Augsburg Üniversitesi'ndeki çalışma, Alman Araştırma Vakfı (DFG) tarafından Ortak Araştırma Merkezi (SFB) 1585 (proje numarası 492723217) aracılığıyla finanse edildi. Hesaplamalı araştırma, Augsburg Üniversitesi'nin LiCCA süper bilgisayarı kullanılarak yürütüldü (DFG proje numarası 499211671).
İş birliği yapan kurumlar için ek destek, Avrupa Araştırma Konseyi (ERC, Ufuk 2020, Hibe 864008), İsrail Bilim Vakfı (2129/23), Minerva Vakfı, Villum Vakfı, Novo Nordisk Vakfı, Danimarka Bağımsız Araştırma Fonu (DFF), Çin Ulusal Anahtar Araştırma ve Geliştirme Programı ve Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı'ndan geldi.
