Almanya'daki Augsburg Üniversitesi öncülüğünde yürütülen uluslararası bir araştırmada, elektrik akımıyla çalışabilen ve dönüş yönü kontrol edilebilen tek moleküllük bir motor geliştirildi. Antik çağda suyu yukarı taşımak için kullanılan Arşimet vidasından esinlenerek tasarlanan moleküler motor, hareket ederken elektrik iletkenliğini de 100 kata kadar artırabiliyor.
Araştırmacılar, çalışmanın moleküler ölçekte çalışan makinelerin geliştirilmesi açısından önemli bir adım olduğunu belirtiyor. Doğada hücrelerin içinde enerji kullanarak hareket üreten moleküler motorlar bulunuyor. Bilim insanları ise uzun yıllardır bu sistemleri yapay olarak üretmeye çalışıyor. Moleküler makineler alanındaki çalışmalar, 2016 yılında Nobel Kimya Ödülü'ne de konu olmuştu.
Arşimet vidasından ilham aldılar
Araştırmacılar, elektrikle doğrudan çalışan moleküler motorlar üzerinde ilk çalışmaları 2011 yılında gerçekleştirmişti. Ancak bu tasarımlarda hareket, taramalı tünelleme mikroskobunun ucuyla sağlanıyordu. Yeni geliştirilen sistemde ise motor, iki metal elektrot arasına yerleştirilerek doğrudan elektrik akımıyla çalıştırıldı.
Motorun merkezinde, Kopenhag Üniversitesi'nden Prof. Michael Pittelkow'un araştırma ekibince tasarlanan spiral biçimli bir molekül bulunuyor. Birkaç milyonda bir milimetre büyüklüğündeki molekül, kükürt atomları aracılığıyla altın yüzeylere bağlanabiliyor.
İsrail'deki Weizmann Bilim Enstitüsü'nden Prof. Oren Tal ve Dr. Anil Kumar Singh liderliğindeki ekip, tekil molekülleri atomik ölçekte sivriltilmiş iki altın uç arasına yerleştirdi. Araştırmacılar, elektrotlar arasındaki mesafeyi değiştirerek moleküler vidayı uzatıp sıkıştırabildi.
Elektrik akımı molekülü döndürüyor
Moleküle elektrik gerilimi uygulandığında dönmeye başladığı gözlemlendi. Daha dikkat çekici sonuç ise elektrik akımının yönü değiştirildiğinde molekülün dönüş yönünün de tersine çevrilebilmesiydi.
Sistemde hareketi sağlayan mekanizma, spiral molekülün içinden geçen elektronların açısal momentumlarını moleküler yapıya aktarmasına dayanıyor. Bu süreç, hareket eden havanın bir rüzgar türbinini döndürmesine benzetiliyor. Molekülün spiral biçimi, elektron akışının oluşturduğu hareketin yönünü belirliyor. Uygulanan gerilim belirli bir eşiği aştığında molekül sürekli dönmeye başlıyor.
Araştırmada, molekülün dönmesiyle birlikte elektrik iletkenliğinin de belirgin biçimde arttığı tespit edildi. Bu etkinin nedenini anlamak için Augsburg Üniversitesi'nden Prof. Fabian Pauly ve doktora öğrencileri Léon Martin ile Yuta Ito, LiCCA süper bilgisayarını kullanarak kuantum mekaniğine dayalı simülasyonlar gerçekleştirdi.
Dönüş, elektrik iletkenliğini 100 kat artırabiliyor
Simülasyonlar, molekülün dönüş açısı ile elektrik akımını iletme kapasitesi arasında doğrudan bir ilişki bulunduğunu ortaya koydu. Molekül dönerken iletkenlik, durağan durumuna kıyasla iki mertebeye, yani 100 kata kadar artabiliyor.
Araştırmacılara göre bunun nedeni, molekül hareketsizken doğal olarak uzak durduğu bazı konumların elektrik iletimini çok daha verimli hale getirmesi. Dönme hareketi, molekülün bu yüksek iletkenlik sağlayan konumlara ulaşmasını mümkün kılıyor.
Araştırmada yer alan Léon Martin, bulguyu şöyle açıkladı: "Şaşırtıcı olan, molekülün hareketsizken kaçındığı konumların elektriği en iyi ileten konumlar olması. Bu konumlara ancak dönme hareketi sayesinde erişilebiliyor."
Deneylerde molekülden geçen elektrik akımı ölçülebildi ancak moleküler ölçekte gerçekleşen mekanizmanın anlaşılması için teorik hesaplamalara ihtiyaç duyuldu. Araştırmacılar, Kopenhag'daki Niels Bohr Enstitüsü ve Çin'deki Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden teorik fizikçilerle birlikte geliştirdikleri modelle hem dönüş hareketini hem de iletkenlikteki artışı açıklamayı başardı.
Moleküler elektronik için yeni bir adım
Araştırmacılar, geliştirilen motorun gelecekte moleküler elektronik bileşenlerin ve elektronların elektrik yükünün yanı sıra spin özelliklerinden yararlanan spintronik teknolojilerinin geliştirilmesine katkı sağlayabileceğini düşünüyor. Sistem, çok küçük miktarlardaki sıvıları kontrol etmeye yönelik mikroakışkan teknolojiler açısından da potansiyel taşıyor.
Çalışma, elektrik enerjisinin kontrollü bir dönme hareketine dönüştürülebildiğini ve bu hareketin yeniden elektrik akımını etkileyebildiğini gösteriyor. Araştırmacılara göre bu çift yönlü etkileşim, atomik ölçekte makine tasarımı için yeni bir çalışma prensibi sunuyor.
Araştırmanın sonuçları Nature dergisinde, "Current-Driven Molecular Machine with Rotation-Enhanced Conductance" başlığıyla yayımlandı.
