Arkhimédész több mint kétezer éves találmánya ihlette azt az új molekuláris motort, amely elektromos áram hatására forog, és amelynek forgásirányát a kutatók egyszerű feszültségváltással szabályozhatják.
A technológia fejlődésének egyik legfontosabb iránya az elmúlt évszázadban a miniatürizálás volt. Az első elektronikus számítógépek egész termeket foglaltak el, ma pedig egy zsebben elférő telefon számítási teljesítménye messze meghaladja azokét. Az elektronikai alkatrészek mérete folyamatosan csökkent, a tranzisztorok milliárdjai kerültek egyetlen szilíciumlapkára, és a mérnökök ma már olyan szerkezetekkel dolgoznak, amelyek mérete néhány nanométer. A következő lépés azonban alapvetően különbözik az eddigiektől: a kutatók olyan gépeket szeretnének készíteni, amelyeknek maga a molekula a működő alkatrésze. Egy nemzetközi kutatócsoport most jelentős előrelépést tett ezen az úton, amikor olyan elektromos motort hozott létre, amely egyetlen molekulából áll, és amelynek forgását közvetlenül az átáramló elektronok hajtják.
A felfedezésről 2026 októberében számoltak be a Nature folyóiratban. A kutatók egy több mint kétezer éves mechanikai elvet alkalmaztak a molekulák világában: az arkhimédészi csavar működését. Ez az ókor óta ismert szerkezet egy ferde tengely köré épített csavarfelület segítségével képes a vizet alacsonyabb helyről magasabbra szállítani. A most megalkotott molekuláris gépben a csavarszerű alak ugyancsak meghatározó szerepet kap, ám itt víz helyett elektronok haladnak át a szerkezeten, és az elektromos áram hozza létre a forgómozgást.
A természet már régen feltalálta
A molekuláris motorok gondolata valójában az élővilág tanulmányozásából született. Sejtjeinkben számtalan olyan fehérje működik, amely energiát alakít át mechanikai mozgássá. A kinezin nevű motorfehérje például a sejten belüli szállításban vesz részt, miközben apró lépésekben halad a mikrotubulusoknak nevezett fehérjeszálakon, és különféle anyagokat tartalmazó hólyagokat mozgat. Az ATP-szintáz nevű molekuláris gép pedig forgómozgás segítségével állítja elő az ATP-t, amely a sejtek egyik legfontosabb energiahordozója. Ezek a természetes szerkezetek bizonyítják, hogy a molekulák mérettartományában is lehetséges irányított mozgást létrehozni, és ezt meghatározott feladatok elvégzésére felhasználni.
A mesterséges molekuláris gépek kutatása évtizedek óta folyik. A tudósok olyan molekulákat terveznek, amelyek képesek egymáshoz képest elfordulni, meghatározott irányban mozogni, vagy külső hatásra megváltoztatni a szerkezetüket. A terület jelentőségét a 2016-os kémiai Nobel-díj is elismerte, amelyet Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart és Bernard L. Feringa kapott a molekuláris gépek tervezéséért és előállításáért. Azóta számos különböző elven működő molekuláris motort készítettek, amelyek fény, kémiai reakciók vagy elektromos energia segítségével hozhatók mozgásba.
Az elektromos árammal működtetett molekuláris motorok különösen fontosak, mert közvetlen kapcsolatot teremthetnek a hagyományos elektronika és a molekuláris gépek között. Korábban is sikerült elektromos árammal molekulákat forgatni, ám ezek a rendszerek jellemzően egy felületen elhelyezett molekulát és egy pásztázó alagútmikroszkóp rendkívül finom tűjét használták. Az új kísérletben a molekula két fémelektróda közé került, így egy apró elektromos áramkör működő elemévé vált.
Egy csavar két aranyelektróda között
Az új motor központi eleme egy különleges, csavarvonalas szerkezetű molekula, amelyet a Koppenhágai Egyetem Michael Pittelkow vezette kutatócsoportja állított elő. A molekula mérete mindössze néhány nanométer, vagyis a milliméter néhány milliomod része. A kutatók úgy alakították ki a szerkezetét, hogy kénatomok segítségével aranyfelületekhez lehessen kapcsolni, miközben a molekula belső része képes elfordulni.
Az izraeli Weizmann Tudományos Intézet kutatói, Oren Tal és Anil Kumar Singh vezetésével, egyetlen ilyen molekulát helyeztek két rendkívül finom aranyelektróda közé. Az elektródák távolságának pontos változtatásával a molekulát kissé megnyújthatták vagy összenyomhatták, ami lehetővé tette a mechanikai tulajdonságainak szabályozását. Amikor feszültséget kapcsoltak a két elektróda közé, az elektronok áthaladtak a molekulán, és forgató hatást fejtettek ki a csavarszerű szerkezetre.
A működés egyik legfontosabb tulajdonsága, hogy a forgás iránya szabályozható. Ha a kutatók megfordították a feszültség polaritását, a molekula az ellenkező irányba kezdett forogni. Megfelelően nagy feszültségnél a forgás folyamatossá vált. A mozgás irányát a molekula csavarvonalas alakja és az elektronok áramlási iránya együttesen határozza meg, hasonlóan ahhoz, ahogyan egy jobbmenetes és egy balmenetes csavar eltérően viselkedik ugyanazon forgatási irány mellett.
A fizikai folyamat hátterében az elektronok és a molekula közötti impulzusmomentum-átadás áll. Az áramló elektronok kölcsönhatásba lépnek a molekula atomjaival, és forgatónyomatékot hoznak létre. A folyamat bizonyos szempontból egy szélturbina működéséhez hasonlítható, amelynek lapátjait az áramló levegő forgatja meg. Molekuláris méretben azonban a kvantummechanikai hatások meghatározóak, ezért a működés pontos megértéséhez részletes számítógépes számításokra volt szükség.
A forgás az elektromos vezetést is megváltoztatja
A kísérlet során a kutatók egy további figyelemre méltó jelenséget figyeltek meg. Amikor a molekula forgásba kezdett, az elektromos vezetőképessége jelentősen megnövekedett. A változás bizonyos körülmények között akár százszoros is lehetett, ami arra utalt, hogy a molekula mechanikai mozgása és az elektronok áramlása szorosan összekapcsolódik.
A jelenség magyarázatában az Augsburgi Egyetem elméleti fizikusai játszottak fontos szerepet. Fabian Pauly és munkatársai kvantummechanikai szimulációkkal vizsgálták, hogyan változik az elektronok áthaladásának valószínűsége a molekula különböző elfordulási helyzeteiben. A számítások szerint a molekula bizonyos szögállásokban sokkal jobban vezeti az elektromos áramot, mint más helyzetekben. Ezek között olyan állások is találhatók, amelyeket a molekula nyugalomban energetikai okokból ritkán vesz fel, forgás közben viszont rendszeresen áthalad rajtuk.
Ez egy különösen érdekes visszacsatolást hoz létre. Az elektromos áram forgásba hozza a molekulát, a forgás pedig megváltoztatja az áram vezetésének feltételeit. A molekula így egyszerre működik mechanikai motorként és elektromos tulajdonságait változtató alkatrészként. A kutatók a kísérleti méréseket elméleti modellekkel is összevetették, és sikerült megmagyarázniuk a forgás és az elektromos vezetés között megfigyelt kapcsolatot.
Mire lehet használni egy molekuláris motort?
A jelenlegi szerkezettel a tudósok az anyag és az elektromos áram kölcsönhatását vizsgálhatják a lehető legkisebb gépek mérettartományában. Az egyik lehetséges alkalmazási terület a molekuláris elektronika, amelyben az áramkörök bizonyos funkcióit egyedi molekulák látnák el. Egy olyan alkatrész, amelynek elektromos vezetőképessége a mechanikai helyzetétől függ, elvileg kapcsolók, érzékelők és más, rendkívül kis méretű elektronikus eszközök alapja lehet.
További lehetőségeket kínál a spintronika, amely az elektronok töltése mellett azok spinjét, vagyis egy sajátos kvantummechanikai tulajdonságát is felhasználja az információ kezelésére. A csavarvonalas molekulák különösen érdekesek ezen a területen, mert szerkezetük befolyásolhatja az elektronok spinfüggő áthaladását. A kutatók emellett olyan mikrofluidikai rendszerekben is elképzelhetőnek tartják a molekuláris motorok jövőbeli felhasználását, amelyek rendkívül kis folyadékmennyiségeket mozgatnak és szabályoznak.
A gyakorlati alkalmazásokhoz ugyanakkor még számos kérdést kell megoldani. Egyetlen molekula forgása rendkívül kis mechanikai teljesítményt jelent, és az ilyen szerkezetek előállítása, tartós működtetése, valamint nagyobb rendszerekbe való beépítése komoly technológiai kihívás. A mostani kísérlet ellenőrzött laboratóriumi körülmények között működött, ahol az elektródák helyzetét atomi pontossággal lehetett beállítani. Egy jövőbeli eszköznek ennél jóval változatosabb körülmények között kellene megbízhatóan működnie.
A felfedezés hosszabb távú jelentősége abban rejlik, hogy a kutatók egyetlen molekulán belül kapcsolták össze az elektromos energia felhasználását, az irányított mechanikai mozgást és az elektromos vezetőképesség szabályozását. Ez a három tulajdonság együtt olyan működési lehetőségeket kínál, amelyek a hagyományos elektronikai alkatrészek további zsugorításával nehezen lennének elérhetők.
A technikatörténetben Arkhimédész csavarja az egyik legrégebbi ismert gép, amelyet eredetileg víz emelésére használtak, és amelynek különféle változatai ma is működnek. Több mint kétezer évvel később ugyanez a geometriai alapelv egy néhány nanométeres szerkezet megtervezéséhez adott ötletet. A két gép mérete között sok billiószoros a különbség, működésüket pedig egészen más fizikai folyamatok határozzák meg, mégis ugyanaz a csavarvonalas forma teremti meg a kapcsolatot közöttük.
Források:
- Anil Kumar Singh és munkatársai: Current-Driven Molecular Machine with Rotation-Enhanced Conductance. Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11312-x
- Augsburgi Egyetem kutatási beszámolója, 2026. október 23., a Phys.org oldalán.
