科学家研发出一种非凡的新型分子马达：当电流通过时，它会旋转。受一项古老发明启发，这种微型机器甚至能在电压切换时反转旋转方向。这一成果标志着向在尽可能小的尺度上制造可工作的机器迈出了重要一步。
分子机器被广泛视为微型化领域一个有前景的下一个前沿。自然界已经在活细胞中提供了例子：分子马达利用能量产生运动。研究人员数十年来一直试图人工重现这些非凡的生物系统，该领域的进展还获得了2016年诺贝尔化学奖的认可。
一项古老发明启发了分子马达
科学家最早在2011年研发出直接由电驱动的分子马达。然而，早期设计在表面上运行，并依赖扫描隧道显微镜的针尖来驱动其运动。
新马达采用了不同方法，其基本设计借鉴了阿基米德螺旋泵——有记载历史中最古老的机器之一。这种简单装置传统上用于将水往高处输送，依靠旋转的螺旋来输送物质。
研究人员将这一原理应用到分子尺度。他们的设计不是输送水，而是让电子穿过一个螺旋形分子，从而使分子在电流通过时旋转。
悬浮在两个金尖端之间的微型分子螺旋
该马达的核心部件是由哥本哈根大学迈克尔·皮特尔科教授研究组设计的一种特殊螺旋分子。该分子仅有几百万分之一毫米大小，可通过硫原子附着在金表面上。
在以色列魏茨曼科学研究所，由奥伦·塔尔教授和阿尼尔·库马尔·辛格博士领导的研究人员将单个分子置于两个被削尖至原子尺度的金尖端之间。通过仔细改变这些电极之间的间距，团队可以拉伸或压缩这个分子螺旋。
当科学家施加电压时，测量显示该分子开始旋转。更重要的是，他们只需改变电压极性就能反转其方向。
这首次展示了一种由电流驱动、与两个金属电极牢固连接、且能够以可控方向旋转的分子马达。
电如何使单个分子旋转
驱动力直接来自穿过螺旋分子的电子。电子运动时会将角动量传递给分子结构，从而产生旋转，其方式与流动的空气转动风力涡轮机非常相似。
螺旋的形状决定了它如何响应这种电子流，类似于右旋螺纹和左旋螺纹之间的差异。一旦施加的电压超过某一阈值，运动就变成连续旋转。
但实验还揭示了另一个有趣效应。旋转中的分子导电效率远高于静止时，这引出了一个关于这个微型机器内部发生了什么的重要问题。
科学家发现惊人的百倍电学效应
为了研究这一意外行为，奥格斯堡大学理论物理第一教席的法比安·保利教授及其博士生莱昂·马丁和伊藤雄太使用LiCCA超级计算机进行了量子力学模拟。
他们的计算揭示了分子旋转与其承载电流能力之间的密切关系。电导率会随分子角度剧烈变化，在旋转过程中最多增加两个数量级，即100倍。
原因尤其令人惊讶。某些最易让电流通过的分子位置，也正是分子在未运动时自然会避开的那些位置。旋转使这些高导电性构型变得可达。
“令人惊讶的是，正是分子在静止时避开的那些位置导电最好。只有旋转才使这些位置变得可达，”莱昂·马丁解释说。
这一发现表明，分子运动不仅仅消耗电能。运动本身还能强烈影响电流如何通过机器。
国际合作解开谜团
随后，研究人员与哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所的理论物理学家珀·赫德高以及武汉华中科技大学的吕京涛合作。
利用模拟结果，科学家开发了一个简化理论模型，成功重现了实验中观察到的旋转以及伴随的电流增加。
实验测量与理论计算的结合对于理解该机制至关重要。尽管研究人员可以测量通过分子的电流，但他们需要模拟来确定在如此极小的尺度上发生了什么。
“在实验中，你只能看到电流。我们的计算让我们得以窥见纳米接触内部正在发生什么。正是通过多个国家实验与理论的密切合作，电流增加的谜团才得以解开，”来自日本的博士生伊藤雄太说。
分子电子学的新前沿
这一成果最终可能有助于分子电子元件以及涉及自旋电子学的技术的发展，后者利用电子除电荷之外的性质。它还可能为微流控系统提供可能性，这类系统可操控极少量流体。
除了这些潜在应用，该马达还为科学家提供了一种研究原子尺度物理过程的新方法。它能将电能转化为受控旋转，同时让这种旋转影响电流，为设计极小机器引入了一种新原理。
“我们已经证明，电流可用于产生定向旋转，而这种旋转反过来又控制电流。这是面向微型化极限机器的一种新工作原理，”保利解释说。
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