Moleküler makineler, minyatürleştirme alanında gelecek vadeden bir alan olarak geniş çapta kabul görmektedir. Doğada, moleküler motorların enerji kullanarak hareket ürettiği canlı hücrelerin içinde zaten örnekler mevcuttur. Araştırmacılar, bu olağanüstü biyolojik sistemleri yapay olarak yeniden yaratmak için on yıllarını harcadılar ve bu alandaki ilerleme, 2016 Nobel Kimya Ödülü ile taçlandırıldı.

Antik Bir Buluş Moleküler Bir Motora İlham Veriyor

Bilim insanları ilk olarak 2011 yılında doğrudan elektrikle çalışan moleküler motorlar geliştirdiler. Ancak bu önceki tasarımlar yüzeylerde çalışıyordu ve hareketlerini sağlamak için taramalı tünelleme mikroskobunun ucuna güveniyordu.

Yeni motor farklı bir yaklaşım benimsiyor ve temel tasarımını, kayıtlı tarihteki en eski makinelerden biri olan Arşimet vidasından alıyor. Geleneksel olarak suyu yokuş yukarı taşımak için kullanılan bu basit cihaz, malzemeyi taşımak için dönen bir spirale dayanıyor.

Araştırmacılar bu prensibi moleküler ölçeğe uyarladılar. Su hareket ettirmek yerine, tasarımları elektronların spiral şeklinde bir molekülün içinden geçmesine olanak tanıyor ve elektrik akımı geçtiğinde molekülün dönmesine neden oluyor.

Altın uçlar arasında asılı duran minik bir moleküler vida

Motorun merkez bileşeni, Kopenhag Üniversitesi’nde Prof. Michael Pittelkow’un araştırma grubu tarafından özel olarak tasarlanmış spiral bir moleküldür. Sadece birkaç milyonda bir milimetre boyutundaki bu molekül, kükürt atomları aracılığıyla altın yüzeylere yapışabilir.

İsrail’deki Weizmann Bilim Enstitüsü’nde, Prof. Oren Tal ve Dr. Anil Kumar Singh liderliğindeki araştırmacılar, tek tek molekülleri atomik boyutlara kadar keskinleştirilmiş iki altın uç arasına yerleştirdiler. Ekip, bu elektrotlar arasındaki mesafeyi dikkatlice değiştirerek moleküler vidayı uzatıp sıkıştırabildi.

Bilim insanları elektriksel bir voltaj uyguladıklarında, ölçümler molekülün dönmeye başladığını ortaya koydu. Daha da önemlisi, voltajın kutupluluğunu değiştirerek yönünü tersine çevirebildiler.

Elektriğin Tek Bir Molekülü Nasıl Döndürdüğü

Hareketin itici gücü doğrudan sarmal molekül boyunca hareket eden elektronlardan gelir. Hareket ettikçe, moleküler yapıya açısal momentum aktarırlar ve bu da tıpkı hareket eden havanın rüzgar türbinini döndürmesi gibi bir dönüşe neden olur.

Sarmalın şekli, tıpkı sağ veya sol dişli vidalar arasındaki fark gibi, bu akışa nasıl tepki vereceğini belirler. Uygulanan voltaj belirli bir eşiği aştığında, hareket sürekli dönme haline gelir.

Ancak deneyler başka bir ilgi çekici etkiyi ortaya çıkardı. Dönen molekül, hareketsiz haline kıyasla elektriği çok daha verimli bir şekilde iletiyordu; bu da minik makinenin içinde neler olup bittiği hakkında önemli bir soruyu gündeme getirdi.

Bilim insanları şaşırtıcı bir şekilde 100 kat daha fazla elektriksel etki keşfetti.

Bu beklenmedik davranışı araştırmak için, Augsburg Üniversitesi Teorik Fizik Kürsüsü’nde çalışan Prof. Dr. Fabian Pauly ve doktora öğrencileri Léon Martin ve Yuta Ito, LiCCA süper bilgisayarında kuantum mekanik simülasyonları kullandılar.

Yaptıkları hesaplamalar, molekülün dönüşü ile elektrik akımı taşıma yeteneği arasında yakın bir ilişki olduğunu ortaya koydu. İletkenlik, molekülün açısına bağlı olarak önemli ölçüde değişiyor ve dönüş sırasında iki katına kadar, yani 100 katına kadar artıyor.

“Şaşırtıcı olan şey, molekülün hareketsiz haldeyken kaçındığı pozisyonların tam olarak elektriği en iyi ileten pozisyonlar olmasıdır. Bu pozisyonlara erişimi sağlayan tek şey dönme hareketidir,” diye açıklıyor Léon Martin.

Bu bulgu, moleküler hareketin yalnızca elektrik enerjisi tüketmekten daha fazlasını yaptığını göstermektedir. Hareketin kendisi, elektriğin makine içinden nasıl aktığını büyük ölçüde etkileyebilir.

Uluslararası İşbirliği Gizemi Çözüyor

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 birlikte çalıştılar.

Bilim insanları, simülasyon sonuçlarını kullanarak, deneylerde gözlemlenen dönme hareketini ve buna eşlik eden elektrik akımındaki artışı başarıyla yeniden oluşturan basitleştirilmiş bir teorik model geliştirdiler.

Deneysel ölçümler ve teorik hesaplamaların bu birleşimi, mekanizmayı anlamak için hayati önem taşıyordu. Araştırmacılar molekülden geçen akımı ölçebilseler de, bu kadar olağanüstü küçük bir ölçekte neler olup bittiğini belirlemek için simülasyonlara ihtiyaç duyuyorlardı.

“Deneyde sadece akımı görüyorsunuz. Hesaplamalarımız, nanokontaktın içinde neler olup bittiğine dair bir fikir edinmemizi sağlıyor. Akım artışının gizemi, ancak çeşitli ülkelerdeki deney ve teori arasındaki yakın işbirliği sayesinde çözülebildi,” diyor aslen Japonya’dan olan doktora öğrencisi Yuta Ito.

Bu başarı, nihayetinde moleküler elektronik bileşenlerin ve elektronların elektriksel yüklerinin ötesindeki özelliklerini kullanan spintronik teknolojilerinin geliştirilmesine katkıda bulunabilir. Ayrıca, son derece küçük miktarlarda sıvıyı işleyen mikroakışkan sistemler için de olanaklar sunabilir.

Bu potansiyel uygulamaların ötesinde, motor bilim insanlarına atomik ölçekte fiziksel süreçleri incelemek için yeni bir yol sunuyor. Elektriği kontrollü dönüşe dönüştürme ve bu dönüşün elektrik akımını etkilemesine olanak tanıma yeteneği, son derece küçük makineler tasarlamak için yeni bir prensip ortaya koyuyor.

“Elektrik akımının yönlendirilmiş bir dönüş oluşturmak için kullanılabileceğini ve bu dönüşün de akımı kontrol ettiğini gösterdik. Bu, minyatürleştirmenin en uç noktalarındaki makineler için yeni bir çalışma prensibidir,” diye açıklıyor Pauly.

Augsburg Üniversitesi’ndeki çalışma, Alman Araştırma Vakfı (DFG) tarafından İşbirliğine Dayalı Araştırma Merkezi (SFB) 1585 (proje numarası 492723217) aracılığıyla finanse edilmiştir. Hesaplamalı araştırma, Augsburg Üniversitesi’nin LiCCA süper bilgisayarı kullanılarak gerçekleştirilmiştir (DFG proje numarası 499211671).

İşbirliği yapan kurumlara ek destek, Avrupa Araştırma Konseyi (ERC, Horizon 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.