Investigadores han desarrollado un motor molecular inspirado en el tornillo de Arquímedes, un antiguo dispositivo utilizado tradicionalmente para mover agua. La máquina accionada eléctricamente mide apenas unas pocas millonésimas de milímetro y puede girar en cualquiera de las dos direcciones, dependiendo de la polaridad del voltaje aplicado.
El motor fue creado a partir de una molécula espiral especialmente diseñada por un grupo de investigación de la Universidad de Copenhague. Los átomos de azufre permiten que se adhiera a superficies de oro. En el Instituto Weizmann de Ciencias, los investigadores colocaron moléculas individuales entre dos puntas de oro afiladas hasta alcanzar dimensiones atómicas y ajustaron la distancia entre los electrodos para estirar o comprimir la estructura molecular.
Cuando se aplicó voltaje, la molécula comenzó a girar. Al invertir el voltaje, se invirtió la dirección de rotación. Los investigadores describen esto como la primera demostración de un motor molecular impulsado por corriente eléctrica, conectado a dos electrodos metálicos y capaz de realizar una rotación direccional controlada.
La rotación ocurre porque los electrones que atraviesan la espiral transfieren momento angular a la molécula. Una vez que el voltaje supera cierto umbral, el movimiento se convierte en una rotación continua. La estructura de la espiral determina cómo responde al flujo de electrones, en un proceso comparable al efecto de las distintas direcciones de rosca en los tornillos convencionales.
Los experimentos también revelaron que la molécula giratoria conduce la electricidad con mucha más eficiencia que cuando está inmóvil. Para estudiar este efecto, investigadores de la Universidad de Augsburgo utilizaron simulaciones de mecánica cuántica en la supercomputadora LiCCA.
Los cálculos mostraron que la conductividad varía considerablemente según el ángulo de la molécula y puede aumentar hasta en dos órdenes de magnitud, o 100 veces, durante la rotación. Las simulaciones indicaron que la molécula evita algunas de las configuraciones que conducen mejor la electricidad cuando está en reposo. La rotación hace accesibles esas configuraciones.
Investigadores de la Universidad de Augsburgo, la Universidad de Copenhague, el Instituto Weizmann de Ciencias y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong combinaron mediciones experimentales con modelos teóricos para explicar el resultado. El modelo reprodujo tanto la rotación observada como el aumento asociado de la corriente eléctrica.
Los hallazgos podrían contribuir a la investigación sobre electrónica molecular, espintrónica y sistemas microfluídicos. También proporcionan una manera de estudiar cómo interactúan el movimiento y la conducción eléctrica a escala atómica, y ofrecen un posible principio de funcionamiento para máquinas en los límites de la miniaturización.
El estudio, «Current-Driven Molecular Machine with Rotation-Enhanced Conductance», se publicó en Nature. El trabajo realizado en la Universidad de Augsburgo contó con el apoyo de la Fundación Alemana de Investigación, y la investigación computacional se llevó a cabo utilizando la supercomputadora LiCCA de la universidad.
Fuentes: ScienceDaily.