Parafuso de Arquimedes feito a partir de uma única molécula
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Uma equipa internacional de físicos desenvolveu, pela primeira vez, uma «máquina» molecular baseada no princípio do parafuso de Arquimedes. A molécula helicoidal é colocada em rotação por uma corrente elétrica. Quando a rotação atinge uma determinada velocidade, a corrente aumenta abruptamente até cem vezes. O grupo de investigação do Prof. Dr. Fabian Pauly, da Universidade de Augsburg, utilizou simulações computacionais de mecânica quântica para explicar os efeitos observados. Os resultados foram publicados na revista Nature.
As máquinas moleculares são consideradas o próximo passo na miniaturização. Os seus modelos podem ser encontrados nas células vivas, onde os motores moleculares convertem energia e geram movimento. Os cientistas têm vindo a trabalhar há décadas para replicar artificialmente esses sistemas. O Prémio Nobel da Química de 2016 foi atribuído a esta investigação.
Um modelo da Antiguidade
Os motores moleculares alimentados diretamente por corrente elétrica existem desde 2011. Até agora, porém, só funcionavam como moléculas numa superfície, acionados pela ponta de um microscópio de tunelamento de varrimento.
Para a sua nova máquina, os investigadores inspiraram-se numa das máquinas mais antigas da humanidade: o parafuso de Arquimedes, que transporta água para cima. Os investigadores aplicaram o princípio do parafuso de Arquimedes a nível molecular. Em vez de água, os eletrões fluem através de uma estrutura helicoidal, colocando-a em rotação.
Um parafuso molecular entre duas pontas de ouro
No coração da máquina encontra-se uma molécula helicoidal, produzida especificamente para o estudo pela equipa do Prof. Michael Pittelkow, da Universidade de Copenhaga. A molécula, que mede apenas alguns milionésimos de milímetro, pode ser ligada a superfícies de ouro através de átomos de enxofre. No Instituto Weizmann de Ciência, em Israel, a equipa liderada pelo Prof. Oren Tal e pelo Dr. Anil Kumar Singh esticou moléculas individuais entre duas pontas de ouro com dimensões atómicas. Ao ajustar com precisão a distância entre os elétrodos, os investigadores conseguiram esticar ou comprimir o parafuso molecular.
Primeiro motor molecular com direção de rotação controlável
As medições revelaram então que a molécula roda quando é aplicada uma tensão. A direção de rotação era inequívoca e podia ser invertida alterando a polaridade da tensão. O estudo demonstra, assim, pela primeira vez, um motor molecular acionado por corrente com direção de rotação controlável que está firmemente fixado a dois elétrodos metálicos.
O movimento é impulsionado pelos próprios eletrões. À medida que fluem através da molécula helicoidal, transferem-lhe momento angular, tal como o vento impulsiona uma turbina eólica. A direção é determinada pela espiral da molécula, tal como acontece com um parafuso de rosca à direita ou à esquerda. Acima de uma determinada tensão, este movimento transforma-se em rotação contínua.
Cálculos realizados em Augsburgo desvendam o mecanismo
Mas por que razão uma molécula em rotação conduz eletricidade significativamente melhor do que uma molécula estacionária? O Prof. Dr. Fabian Pauly e os seus doutorandos Léon Martin e Yuta Ito, da Cátedra de Física Teórica I da Universidade de Augsburg, investigaram esta questão utilizando simulações de mecânica quântica no supercomputador LiCCA. Os seus cálculos revelaram que a rotação da molécula está intimamente ligada à sua condutividade. A condutividade depende fortemente do ângulo de rotação da molécula e pode aumentar até duas ordens de magnitude durante a rotação.
«O que é surpreendente é que são precisamente as posições que a molécula evita quando está em repouso que melhor conduzem a eletricidade. É apenas a rotação que torna estas posições acessíveis», explica Léon Martin.
Colaboração internacional para o sucesso da investigação
Com base nestas descobertas, os parceiros teóricos Per Hedegård, do Instituto Niels Bohr, em Copenhaga, e Jing-Tao Lü, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong, em Wuhan, desenvolveram um modelo simplificado que reproduziu com sucesso a rotação observada experimentalmente e o aumento da corrente.
«Na experiência, só se vê a corrente. Os nossos cálculos permitem-nos vislumbrar o que se passa no interior do nanocontacto. Só através de uma estreita colaboração entre a experiência e a teoria, envolvendo vários países, foi possível desvendar o mistério do aumento da corrente», afirma Yuta Ito, um estudante de doutoramento originário do Japão.
Implicações para aplicações futuras
A descoberta tem potencial para componentes eletrónicos moleculares, aplicações em spintrónica e sistemas microfluídicos. Além disso, estas máquinas em miniatura oferecem novas oportunidades para a investigação de processos físicos à escala atómica. «Demonstrámos que uma corrente elétrica pode ser utilizada para gerar uma rotação direcionada e que essa rotação, por sua vez, controla a corrente. Trata-se de um novo princípio de funcionamento para máquinas nos limites extremos da miniaturização», explica Pauly.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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