I ricercatori hanno sviluppato un motore molecolare ispirato alla vite di Archimede, un antico dispositivo tradizionalmente utilizzato per spostare l’acqua. La macchina azionata elettricamente misura solo pochi milionesimi di millimetro e può ruotare in entrambe le direzioni a seconda della polarità della tensione applicata.

Il motore è stato creato a partire da una molecola a spirale appositamente progettata, sviluppata da un gruppo di ricerca dell’Università di Copenaghen. Gli atomi di zolfo le permettono di fissarsi alle superfici d’oro. All’Istituto Weizmann di Scienze, i ricercatori hanno collocato singole molecole tra due punte d’oro affilate fino a raggiungere dimensioni atomiche e hanno regolato la distanza tra gli elettrodi per allungare o comprimere la struttura molecolare.

Quando è stata applicata una tensione, la molecola ha iniziato a ruotare. Invertendo la tensione, si è invertita anche la direzione della rotazione. I ricercatori descrivono questo risultato come la prima dimostrazione di un motore molecolare azionato dalla corrente elettrica, collegato a due elettrodi metallici e capace di una rotazione direzionale controllata.

La rotazione avviene perché gli elettroni che attraversano la spirale trasferiscono momento angolare alla molecola. Quando la tensione supera una determinata soglia, il movimento diventa una rotazione continua. La struttura della spirale determina il modo in cui essa risponde al flusso di elettroni, in un processo paragonabile all’effetto delle diverse direzioni delle filettature nelle viti convenzionali.

Gli esperimenti hanno inoltre rivelato che la molecola rotante conduce l’elettricità in modo molto più efficiente rispetto a quando è ferma. Per studiare questo effetto, i ricercatori dell’Università di Augusta hanno utilizzato simulazioni quantomeccaniche sul supercomputer LiCCA.

I calcoli hanno mostrato che la conducibilità varia fortemente in base all’angolo della molecola e può aumentare fino a due ordini di grandezza, ovvero 100 volte, durante la rotazione. Le simulazioni hanno indicato che, quando è a riposo, la molecola evita alcune delle configurazioni che conducono meglio l’elettricità. La rotazione rende accessibili tali configurazioni.

I ricercatori dell’Università di Augusta, dell’Università di Copenaghen, dell’Istituto Weizmann di Scienze e dell’Università di Scienza e Tecnologia di Huazhong hanno combinato misurazioni sperimentali e modellizzazione teorica per spiegare il risultato. Il modello ha riprodotto sia la rotazione osservata sia il conseguente aumento della corrente elettrica.

I risultati potrebbero contribuire alla ricerca sull’elettronica molecolare, sulla spintronica e sui sistemi microfluidici. Offrono inoltre un modo per studiare come il movimento e la conduzione elettrica interagiscano su scala atomica, proponendo un possibile principio di funzionamento per macchine ai limiti della miniaturizzazione.

Lo studio, “Current-Driven Molecular Machine with Rotation-Enhanced Conductance”, è stato pubblicato su Nature. Il lavoro svolto presso l’Università di Augusta è stato sostenuto dalla Fondazione tedesca per la ricerca, mentre la ricerca computazionale è stata condotta utilizzando il supercomputer LiCCA dell’università.

Fonti: ScienceDaily.