KU-forskere har bygget turbine af ét molekyle – kan styres med strøm

En maskine behøver ikke længere bestå af tandhjul, aksler og synlige komponenter. Et internationalt forskerhold med centrale bidrag fra Københavns Universitet har udviklet en elektrisk drevet turbine, som består af et enkelt molekyle og måler omkring en milliontedel millimeter.

Det spiralformede molekyle begynder at rotere, når forskerne sender en lille elektrisk strøm gennem det. Samtidig kan de kontrollere både rotationsretningen og hastigheden.

Forskningsresultatet er offentliggjort i tidsskriftet Nature og indgår i arbejdet med at udvikle kunstige molekylære maskiner – et forskningsområde, der på længere sigt kan få betydning for blandt andet ekstremt små væskesystemer, medicinske analysechips og energilagring. Der er dog fortsat langt fra forsøget til konkrete teknologiske anvendelser.

Strøm får molekylet til at rotere

Den nye maskine er inspireret af arkimedesskruen, der gennem mere end 2.000 år har været brugt til blandt andet at flytte vand.

I forskernes version er et spiralformet, kulstofbaseret molekyle spændt ud mellem to elektroder af guld. Når der sendes elektrisk strøm gennem molekylet, begynder det at rotere.

Molekylet er for lille til, at rotationen kan observeres direkte i et mikroskop. I stedet registrerer forskerne ændringer i den elektriske strøm og bruger dem til at følge bevægelsen og hastigheden.

Ifølge professor Per Hedegård fra Niels Bohr Institutet er det især kontrollen over bevægelsen, der gør resultatet interessant.

”Når vi sender en ganske lille elektrisk strøm gennem molekylet, begynder det at dreje rundt. Det særlige er, at vi kan få det til at rotere kontinuerligt, styre rotationsretningen og endda styre hastigheden. Det er ikke set før,” siger han.

Projektet kombinerer teoretisk fysik, eksperimentel fysik og kemi. Københavns Universitet har blandt andet bidraget til designet og fremstillingen af molekylet samt den teoretiske forståelse af mekanismen.

Professor Michael Pittelkow fra Kemisk Institut på Københavns Universitet peger på, at konstruktionen stiller flere krav til det samme molekyle.

”For os som kemikere har udfordringen været at designe et enkeltmolekyle, der ikke bare har den rigtige form og størrelse, men som også kan fungere mellem to elektroder. Molekylet skal kunne bevæge sig, samtidig med at det forbliver stabilt og leder strøm,” siger han.

Idéen begyndte med en sikring

Udgangspunktet for projektet opstod ifølge forskerne for mere end 15 år siden.

Per Hedegård begyndte dengang at undersøge, hvad der sker umiddelbart før metaltråden i en elektrisk sikring brister. På det tidspunkt kan kun en streng af ganske få atomer være tilbage til at lede strømmen.

Det førte til spørgsmålet om, hvorvidt den energi, som elektrisk strøm overfører til atomer og molekyler, kunne udnyttes til kontrolleret bevægelse i stedet for at få systemet til at bryde sammen.

Hedegård diskuterede senere idéen med den israelske fysiker Oren Tal, der også er seniorforfatter på studiet. Herfra udviklede idéen om en molekylær udgave af arkimedesskruen sig.

Forskning i molekylære maskiner blev hædret med Nobelprisen i kemi i 2016. Ambitionen i feltet er blandt andet at udvikle kunstige systemer i nanostørrelse, som kan udføre opgaver på samme skala som de molekylære motorer, der allerede findes naturligt i levende organismer.

Der er stadig langt til kommerciel anvendelse

Den nye turbine er foreløbig et grundvidenskabeligt bevis på, at princippet fungerer.

Forsøgene er gennemført ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt, og næste skridt bliver blandt andet at undersøge, om teknologien kan overføres til andre molekyler og fungere ved stuetemperatur.

Forskerne peger på en række mulige langsigtede anvendelser, hvis teknologien kan videreudvikles. Molekylære maskiner kan eksempelvis tænkes anvendt til at kontrollere væskestrømme i ekstremt små systemer, i mikrochips til medicinske analyser, i batterier eller i porøse materialer til energilagring.

Der er imidlertid ikke tale om færdige produkter eller konkrete anvendelser endnu.

”Det store perspektiv er, at vi mennesker på makroskopisk niveau nu får nogle knapper at trykke på, der får mikroskopiske ting til at ske. Det er den slags kontrol, som kan blive afgørende, hvis vi skal udvikle mere avancerede molekylære maskiner og integrere dem i fremtidens teknologier,” siger Michael Pittelkow.

Studiet er gennemført i et samarbejde mellem forskere fra Weizmann Institute of Science, Københavns Universitet, University of Augsburg, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan Institute of Quantum Technology og Indian Institute of Technology Madras. Forskningen er blandt andet støttet af Villum Fonden, Novo Nordisk Fonden og Danmarks Frie Forskningsfond.

Vores team kan have anvendt AI til at assistere i skabelsen af dette indhold, som er gennemgået af redaktørerne.