Onderzoekers uit Israël, Denemarken en Duitsland melden een motor van één enkel molecuul die draait als er stroom door loopt en van richting wisselt met de spanning, terwijl het draaien de geleiding met maximaal twee ordes van grootte verhoogt.

Een onderzoekssamenwerking heeft een moleculaire motor gepresenteerd die draait wanneer er elektrische stroom doorheen loopt en van draairichting verandert wanneer de polariteit van de spanning wordt omgewisseld. Het ontwerp is geïnspireerd op de schroef van Archimedes, het eeuwenoude spiraalvormige apparaat om water omhoog te brengen: elektronen die door een spiraalvormig molecuul bewegen zouden hoekmoment aan dat molecuul overdragen en het laten draaien. Het molecuul, slechts enkele miljoenste millimeters lang, werd gemaakt door de groep van prof. Michael Pittelkow aan de Universiteit van Kopenhagen en hecht zich via zwavelatomen aan goud. Aan het Weizmann Institute of Science in Israël hield een team onder leiding van prof. Oren Tal en dr. Anil Kumar Singh afzonderlijke moleculen vast tussen twee gouden punten die tot atomaire afmetingen waren aangescherpt, en liet zien dat de rotatie continu werd zodra de spanning een drempel overschreed. Elektrisch aangedreven moleculaire motoren bestaan sinds 2011, maar die werkten op oppervlakken en maakten gebruik van de punt van een scanning tunneling microscoop; het nieuwe werk wordt beschreven als het eerste dat een stroomgedreven motor toont die stevig met twee elektroden is verbonden en een stuurbare draairichting heeft.

De experimenten onthulden ook een onverwacht effect: het draaiende molecuul geleidde stroom veel beter dan een stilstaand molecuul. Om dat te verklaren voerde een team onder leiding van prof. Fabian Pauly aan de Universiteit van Augsburg kwantummechanische simulaties uit op een supercomputer en vond dat de geleiding sterk afhangt van de hoek van het molecuul en tijdens het draaien met maximaal twee ordes van grootte, dus ongeveer 100 keer, toeneemt. Volgens de onderzoekers zijn sommige van de standen die elektriciteit het best geleiden juist standen die het molecuul in rust van nature vermijdt, en maakt pas de rotatie ze bereikbaar. De theoretici Per Hedegård van het Niels Bohr Instituut en Jing-Tao Lü van de Huazhong University of Science and Technology bouwden vervolgens een vereenvoudigd model dat zowel de rotatie als de gemeten stijging van de stroom reproduceerde. In de woorden van de onderzoekers laat het werk zien dat een elektrische stroom een gerichte rotatie kan opwekken en dat die rotatie op haar beurt de stroom regelt.

Het team denkt dat het resultaat op termijn kan bijdragen aan moleculaire elektronische componenten, aan spintronica, die andere eigenschappen van elektronen dan lading benut, en aan microfluïdische systemen die extreem kleine hoeveelheden vloeistof hanteren, en zegt dat het wetenschappers een nieuwe manier geeft om fysische processen op atomaire schaal te bestuderen. Dat zijn vooruitzichten, geen producten: de demonstratie betreft afzonderlijke moleculen tussen laboratoriumelektroden en er zijn geen toepassingen in apparaten getoond. Dit verslag is gebaseerd op een persbericht van de universiteit, zoals gepubliceerd door ScienceDaily; de tekst die wij lazen noemt het tijdschrift niet, en wij hebben de bevindingen niet onafhankelijk geverifieerd noch het onderliggende artikel gezien, dus details moeten met voorzichtigheid worden bekeken. Het onderzoek werd onder meer gefinancierd door de Duitse Onderzoeksgemeenschap, de Europese Onderzoeksraad en de Israel Science Foundation.