Maskine i molekylestørrelse: Forskere har bygget verdens mindste turbine

Den er så lillebitte, at man slet ikke kan se den. Den består nemlig af kun et enkelt molekyle og måler en milliontedel af en millimeter. Alligevel fungerer den præcis som en maskine, vi kender fra hverdagen.

Et internationalt forskerhold med centrale bidrag fra Københavns Universitet har udviklet det, forskerne beskriver som verdens mindste turbine: Et skrueformet molekyle, der begynder at rotere, når der sendes elektrisk strøm igennem det.

Resultatet, som netop er udgivet i Nature, er et vigtigt skridt inden for et af kemiens og fysikkens mest ambitiøse forskningsfelter: udviklingen af kunstige molekylære maskiner.

”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 Københavns Universitet.

Forskningen i molekylære maskiner blev hædret med Nobelprisen i kemi i 2016, og forskere verden over arbejder på at udvikle maskiner i nanostørrelse, som fungerer på samme måde som motorer, pumper og andre mekaniske systemer gør i vores hverdag. Lykkes det, kan vi løse opgaver, som er umulige med de teknologier, der findes i dag.

En ny type af molekylære maskiner

Den nye molekylemaskine er inspireret af den såkaldte arkimedesskrue, 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.

Arbejdet er resultatet af et mangeårigt samarbejde mellem teoretiske fysikere, eksperimentelle fysikere og kemikere. 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 Københavns Universitet.

En idé født af sikring der springer

Historien bag opfindelsen begyndte for mere end 15 år siden, hvor Per Hedegård gik og undrede sig over, hvad der egentlig sker i øjeblikket før en sikring hjemme i elskabet springer.

Lige inden metaltråden i en sikring brister, er der kun en streng af ganske få atomer tilbage til at lede strømmen. Det fik ham til at spekulere over, hvordan elektrisk strøm påvirker de atomer og molekyler, den passerer igennem.

Senere diskuterede han idéen med den israelske fysiker Oren Tal, som også er seniorforfatter på studiet.

”Vi talte om, det ikke var muligt at udnytte den energi, som strømmen tilfører molekyler på en konstruktiv måde. I stedet for at få systemet til at bryde sammen, som når en sikring springer, kunne man måske få atomerne til at udføre et stykke arbejde. Det blev begyndelsen på idéen om en molekylær arkimedesskrue,” siger Per Hedegård.

Naturen gør det allerede

Selv om den nye molekylærmaskine 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.

Den nye maskine 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.

Se video-illustration af den molekylære turbine her: https://video.ku.dk/video/133398552/molekylaer-turbine

OM STUDIET

• Forskerne har udviklet en elektrisk drevet molekylær turbine bestående af et enkelt spiralformet molekyle spændt ud mellem to guldelektroder.
• Forskerne kan styre både rotationsretning og hastighed på den molekylære maskine.

• Københavns Universitet bidrog både med design og syntese af molekylet samt den teoretiske forståelse af mekanismen.
• Forskningsartiklen om studiet er publiceret i tidsskriftet Nature.

• Studiet er 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 støttet af bl.a. Villum Fonden, Novo Nordisk Fonden og Danmarks Frie Forskningsfond.