Создание и исследование молекулярных машин важно не только для того, чтобы на них устраивать гонки, но и для изучения процессов, которые происходят при их движении. Хоть многие искусственные молекулярные машины запускаются с помощью квантовых эффектов, их движение в основном определяется законами классической кинетики, почти не затрагивая явления квантового туннелирования. При этом уменьшение размера молекулярных машин повышает вероятность проявления квантовых эффектов.

Самуэль Штольц (Samuel Stolz) с коллегами из Федеральной политехнической школы Лозанны создали самый маленький в мире на сегодняшний день молекулярный ротор и исследовали его поведение методом сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) при температуре пять кельвин и давлении ниже 50 фемтобар. Исследователи синтезировали хиральную поверхность из кристалла интерметаллического соединения палладия и галлия в соотношении 1:1 (PdGa), который мог адсорбировать соединения с определенными геометрическими параметрами и играл роль статора. Ротором в этом молекулярном моторе была маленькая адсорбированная молекула ацетилена C2H2.

Единичный молекулярный мотор состоит всего из 16 атомов: трехслойный кластер PdGa из слоя тримера палладия, слоя из шести атомов галлия и еще одного, верхнего слоя из трех атомов палладия, на котором сорбирована крутящаяся часть из четырехатомной молекулы ацетилена. На изображении СТМ ротор выглядит как гантель в трех симметрически одинаковых ориентациях.

Исследователи показали, что строение зонда микроскопа не оказывает определяющего влияния на движение ротора, отметив независимость вращения ацетилена от расстояния до зонда как теоретически, так и в эксперименте. Направление вращения определяется исключительно статором. В более чем 96 процентах случаев вращение происходило в одну сторону. За 100 секунд молекула ацтилена смогла прокрутиться 23 раза против часовой стрелки.

Авторы обнаружили два режима вращения: туннельный, когда частота вращения не зависит от температуры (ниже 15 кельвин), напряжения и тока, а также классический, когда частота от этих параметров зависит. Молекулярный мотор крутился исключительно в одну сторону под действием единичных электронов, непрерывно переходя между шестью цикличными состояниями.

Преимущественно однонаправленное движение даже в туннельном режиме авторы объяснить не смогли. Они утверждают, что дальнейшие исследования подобных эффектов позволят в будущем преобразовывать энергию внешнего возбуждения в направленное движение и изучать эти процессы в минимальных пространственных масштабах.

В прошлом году международная группа исследователей создала молекулярный пропеллер, направление вращения лопастей которого также определял хиральный статор. Больше о молекулярных машинах можно почитать в нашем материале «Машина из пробирки».