Forskere bygger verdens mindste turbine af ét enkelt molekyle

Den er en milliontedel af en millimeter stor og består af ét enkelt spiralformet molekyle. Alligevel fungerer den som en lille maskine, der kan sættes i bevægelse og styres med elektrisk strøm.

Det er et internationalt forskerhold, der står bag den nye molekylære turbine, som er udviklet med centrale bidrag fra Københavns Universitet. Resultaterne er offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nature.

Figur fra forskningsartiklen, som illustrerer en klassisk arkimedesskrue (venstre) og den molekylære maskine (højre). Kurverne nedenunder viser, hvordan den elektriske strøm ændrer sig i takt med molekylets rotation. Illustration: Københavns Universitet

”Når vi sender en ganske lille elektrisk strøm gennem molekylet, begynder det at dreje rundt. Det særlige er, at vi kan få det til at rotere kontinuerligt, styre rotationsretningen og endda styre hastigheden. Det er ikke set før,” siger professor Per Hedegård fra Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

Turbinen er inspireret af arkimedesskruen, der gennem mere end 2.000 år har været brugt til at transportere vand. Den molekylære udgave består af et spiralformet, kulstofbaseret molekyle mellem to guldelektroder. Forskerne kan aflæse bevægelserne ved at måle ændringer i den elektriske strøm.

For kemikerne har det været en særlig udfordring at fremstille et molekyle, der både kan bevæge sig, lede strøm og forblive stabilt.

”For os som kemikere har udfordringen været at designe et enkeltmolekyle, der ikke bare har den rigtige form og størrelse, men som også kan fungere mellem to elektroder. Molekylet skal kunne bevæge sig, samtidig med at det forbliver stabilt og leder strøm. Det er et eksempel på, hvordan kemi og fysik kan skabe noget, som ingen af felterne kunne have opnået alene,” siger professor Michael Pittelkow fra Kemisk Institut på Københavns Universitet.

Maskinen er indtil videre testet ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt. Forskerne vil undersøge, om teknologien kan fungere ved stuetemperatur og anvendes i blandt andet mikrochips til medicinske analyser, batterier og materialer til energilagring.

Der er dog stadig langt fra forsøget til praktiske anvendelser. Målet er at lære at kontrollere bevægelser på molekyleniveau og dermed skabe grundlag for mere avancerede molekylære maskiner.

Fakta om den molekylære turbine

• Består af ét spiralformet, kulstofbaseret molekyle.
• Måler cirka en milliontedel af en millimeter.
• Drives af elektrisk strøm mellem to guldelektroder af guld.
• Forskerne kan styre både rotationsretning og hastighed.
• Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Nature.
• Maskinen er foreløbig testet ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt.
• Forskningen er blandt andet støttet af Villum Fonden, Novo Nordisk Fonden og Danmarks Frie Forskningsfond.