Moleküler Boyutta Arşimet Burgusu: Elektrikle Yön Değiştiren Devrim Niteliğinde Bir Motor Keşfedildi

Bilim dünyası, moleküler ölçekte devrim yaratacak bir gelişmeye imza attı. Araştırmacılar, elektrik akımıyla hareket eden ve yönü kolayca değiştirilebilen, Arşimet burgusundan esinlenen çığır açıcı bir moleküler motor geliştirdi. Bu minyatür makine, sadece birkaç milyon milimetrelik boyutuyla, moleküler elektroniğin geleceği için umut verici bir adım olarak öne çıkıyor. Geliştirilen bu motorun en dikkat çekici özelliklerinden biri ise, dönme hareketi sırasında elektriksel iletkenliği tam 100 katına kadar çıkarabilmesi.

Moleküler makineler, küçülmenin bir sonraki büyük sınırını temsil ediyor. Doğada, canlı hücrelerin içinde enerji kullanarak hareket üreten moleküler motorlar zaten mevcut. Bilim insanları on yıllardır bu karmaşık biyolojik sistemleri yapay olarak yeniden yaratmaya çalışıyor ve bu alandaki ilerlemeler, 2016 Nobel Kimya Ödülü ile de taçlandırıldı. Ancak, doğrudan elektrikle çalışan ve kontrol edilebilir yönde dönen ilk moleküler motorun geliştirilmesi, bu alanda önemli bir kilometre taşı olarak kabul ediliyor. Daha önceki elektrikle çalışan moleküler motorlar yüzeylere bağlıydı ve hareketleri bir taramalı tünelleme mikroskobunun ucuyla sağlanıyordu. Yeni geliştirilen motor ise, temel tasarımını antik Arşimet burgusundan alıyor. Geleneksel olarak suyu yukarı taşımak için kullanılan bu basit cihaz, dönen bir spiral vasıtasıyla malzemeyi hareket ettirir. Araştırmacılar bu prensibi moleküler ölçeğe uyarlayarak, su yerine elektronların spiral şeklindeki bir molekül içinden geçmesini ve elektrik akımıyla molekülün dönmesini sağladılar.

Bu minik motorun kalbinde, Kopenhag Üniversitesi'nden Prof. Michael Pittelkow'un araştırma grubunca özel olarak tasarlanmış spiral bir molekül bulunuyor. Sadece birkaç milyon milimetre boyutundaki bu molekül, kükürt atomları aracılığıyla altın yüzeylere tutunabiliyor. İsrail'deki Weizmann Bilim Enstitüsü'nde, Prof. Oren Tal ve Dr. Anil Kumar Singh liderliğindeki ekip, atomik boyutlarda keskinleştirilmiş iki altın uç arasına tekil molekülleri yerleştirdi. Bu elektrotlar arasındaki mesafeyi dikkatlice değiştirerek, moleküler burguyu esnetebildiler veya sıkıştırabildiler. Bilim insanları bir elektrik voltajı uyguladığında, ölçümler molekülün dönmeye başladığını gösterdi. Daha da önemlisi, voltajın polaritesini değiştirerek dönüş yönünü basitçe tersine çevirebildiler. Bu, elektrik akımıyla sürülen, iki metal elektroda sıkıca bağlı ve kontrol edilebilir bir yönde dönebilen ilk moleküler motorun gösterimi oldu.

Molekülün dönmesini sağlayan temel güç, elektronların spiral molekül içinden geçerek aktardığı açısal momentumdan kaynaklanıyor. Bu süreç, hareket eden havanın bir yel değirmenini döndürmesine benzer bir mekanizma ile çalışıyor. Spiralin şekli, tıpkı sağ veya sol el dişli vidalar arasındaki fark gibi, akışa nasıl tepki vereceğini belirliyor. Uygulanan voltaj belirli bir eşiği aştığında, hareket sürekli bir dönüşe dönüşüyor. Ancak deneyler daha da şaşırtıcı bir etkiyi ortaya çıkardı: Dönen molekül, sabit durduğuna göre çok daha verimli bir şekilde elektrik iletiyordu. Bu durum, minik makinenin içinde neler olup bittiği sorusunu gündeme getirdi. Bu beklenmedik davranışı araştırmak için Augsburg Üniversitesi Teorik Fizik Bölümü'nden Prof. Dr. Fabian Pauly ve doktora öğrencileri Léon Martin ile Yuta Ito, LiCCA süper bilgisayarında kuantum mekaniksel simülasyonlar gerçekleştirdi.

Bu simülasyonlar, molekülün dönüşü ile elektriksel akım taşıma yeteneği arasında yakın bir ilişki olduğunu ortaya koydu. İletkenlik, molekülün açısına bağlı olarak dramatik bir şekilde değişiyor ve dönme sırasında iki büyüklük mertebesi, yani 100 kata kadar artıyordu. Bunun nedeni ise oldukça şaşırtıcıydı: Elektriğin en kolay geçtiği bazı moleküler pozisyonlar, molekülün hareket etmediği zamanlarda doğal olarak kaçındığı pozisyonlardı. Düşünceyi, "Şaşırtıcı olan, molekülün dinlenme halindeyken kaçındığı pozisyonların elektriği en iyi şekilde iletmesidir. Bu pozisyonları erişilebilir kılan tek şey dönmedir," şeklinde açıklayan Léon Martin, bu keşfin moleküler hareketin sadece elektriksel enerji tüketmekten daha fazlasını yaptığını gösterdiğini belirtti. Hareketin kendisi, elektriğin makine içinden nasıl aktığını güçlü bir şekilde etkileyebiliyordu. Araştırmacılar daha sonra Kopengeh'teki Niels Bohr Enstitüsü'nden Per Hedegård ve Wuhan'daki Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Jing-Tao Lü ile işbirliği yaparak, simülasyon sonuçlarını kullanarak hem deneylerde gözlemlenen dönüşü hem de eşlik eden elektrik akımı artışını başarıyla yeniden üreten basitleştirilmiş bir teorik model geliştirdiler. Bu uluslararası işbirliği, moleküler motorların hem hareket hem de iletkenlik üzerindeki etkilerini anlamada önemli bir ilerleme kaydetti.