Skrueformet molekyle er verdens mindste turbine

• Af:
  
• John Nyberg

En maskine, der er så lillebitte, at man slet ikke kan se den, og kun består af et enkelt molekyle og måler en milliontedel af en millimeter, men alligevel fungerer præcis som de maskiner, man kender fra hverdagen. Det er resultatet af et internationalt forskerholds arbejde, der omfatter centrale bidrag fra forskere ved Københavns Universitet, KU, som netop er udgivet i Nature.

”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 professor og seniorforfatter Per Hedegård fra Niels Bohr Institutet på KU.

Molekylemaskinen er inspireret af den såkaldte Arkimedes-skrue, som i over 2.000 år har været brugt til at transportere vand. Den molekylære udgave består af et spiralformet kulstofbaseret molekyle, der er spændt ud mellem to elektroder af guld. Når forskerne sender strøm gennem molekylet, sættes det i rotation. Selvom molekylet er alt for lille til at kunne ses i et mikroskop, kan forskerne aflæse dets bevægelser ved at måle ændringer i den elektriske strøm. På den måde kan de følge, hvordan molekylet roterer, og hvor hurtigt det gør det.

En afgørende del af projektet har været at fremstille netop det molekyle, som kunne fungere som den roterende skrue:

”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. Det er et eksempel på, hvordan kemi og fysik kan skabe noget, som ingen af felterne kunne have opnået alene,” siger professor og seniorforfatter Michael Pittelkow fra Kemisk Institut på KU.

Selv om den molekylærmaskinen kun er demonstreret som et grundvidenskabeligt bevis på konceptet, er forskerne særligt begejstrede for det princip, den demonstrerer. I levende organismer findes et væld af molekylære motorer. De transporterer stoffer rundt i celler, omdanner energi og driver nogle af livets mest grundlæggende processer:

”Naturen har været i gang i milliarder af år og er fyldt med molekylære motorer. Vi forsøger at lære af de principper og bygge vores egne maskiner i samme størrelsesskala,” siger Per Hedegård.

Maskinen er foreløbig testet ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt. Forskerne vil nu undersøge, om princippet kan overføres til andre molekyler og på sigt fungere ved stuetemperatur.

De understreger, at der er langt fra den nuværende prototype til konkrete teknologier. Men evnen til at styre bevægelse på molekyleniveau ved hjælp af elektrisk strøm kan på den længere bane få betydning inden for mange områder. Forskerne forestiller sig, at lignende molekylære maskiner en dag kan bruges til for eksempel at styre strømmen af væsker i ekstremt små systemer, i mikrochips til medicinske analyser, i batterier eller i porøse materialer til energilagring:

”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.

Interesserede kan se en video-illustration af den molekylære turbine her