Химики из Университета Тафтса создали первый в мире электрический мотор, в основе которого лежит только одна молекула. Новая разработка сможет оказаться полезной для создания нового класса устройств, потенциально полезных для медицины и инженерии.

Исследователи сообщают, что размеры созданного ими электромотора не превышают 1 нм, прежний рекорд миниатюризации подобных устройств заключался в получении устройства, размеры которого составляли 200 нм. Руководитель исследования, Чарльз Сайкс (E. Charles H. Sykes), заявляет, что помимо прочего исследователи планируют отравить информацию о своем электромоторе в книгу рекордов Гиннеса.

Сайкс отмечает, что уже достигнут существенный прогресс в создании молекулярных моторов, работа которых инициируется светом или энергией химической реакции, однако работа его группы – первое экспериментальное подтверждение возможности создания молекулярных электромоторов (хотя теоретические идеи создания таких устройств предлагались и ранее). Исследователи из группы Сайкса впервые показали, что электрическое воздействие на отдельную молекулу позволяет заставить ее двигаться не случайным образом.

Атом серы молекулы (желтый) связывается с электропроводной медной подложкой (серо-желтый), при этом углеводородные фрагменты молекулы получают возможность свободного вращения по или против часовой стрелке относительно связи сера-медь. Было обнаружено, что при понижении температуры до 5 Кельвинов электрическое воздействие позволяет управлять направлением и скоростью этого вращения. (Рисунок из Nature Nanotechnology, 2011, doi:10.1038/nnano.2011.142)

Сайкс с коллегами смог контролировать движение молекулярного электромотора с помощью достаточно редкого прибора – низкотемпературного сканирующего электронного микроскопа [low-temperature scanning tunneling microscope (LT-STM)], в США имеется не более сотни таких приборов. Исследователи использовал металлический зонд такого микроскопа для передачи электрического заряда молекуле бутилметилсульфида, помещенной на электропроводную медную подложку. Атом серы бутилметилсульфида связывался с атомом меди подложки, а метильный и бутильный заместители получали возможность свободного вращения вокруг связи Cu–S.

Было обнаружено, что изменения температуры позволяли влиять на вращение молекулы, идеальной для слежения за вращением была температура 5 Кельвинов, при которой исследователи из Университета Тафтса смогли наблюдать все вращательные движения молекулярного электромотора и проанализировать полученные данные. Исследователи заявляют, что при более высоких температурах контролировать вращение бутилметилсульфида сложно из-за слишком быстрого вращения. Очевидно, что для практического применения новой системы исследователям первоначально придется повысить температуру контролируемого вращения молекулярного электродвигателя.

Сайкс отмечает, что при создании молекулярных электродвигателей, работающих при температуре, при которых работают электродвигатели обычные, позволит начать практическое применение новых молекулярных устройств в сенсорных и медицинских устройствах, например, тех, для работы которых необходимы тонкие капилляры. В таких тонких капиллярах трение между жидкостью и стенками капилляра весьма значительно, и встраивание в стены капилляров молекулярных электромоторов может помочь течению жидкости.