分子机器被广泛视为微型化领域一个充满前景的下一个前沿。自然界早已在活细胞内部提供了实例——分子马达利用能量产生运动。研究人员花费数十年时间尝试人工重现这些非凡的生物系统，该领域的进展获得了2016年诺贝尔化学奖的认可。
一项古老发明启发分子马达
科学家于2011年首次研制出由电力直接驱动的分子马达。然而，那些早期设计只能在表面上运行，并依靠扫描隧道显微镜的针尖来驱动其运动。
新马达采用了不同的方法，其基本设计借鉴了阿基米德螺旋泵——有文字记载的历史上最古老的机器之一。这种简单装置传统上用于将水输送到高处，依靠一个旋转的螺旋结构来输送物质。
研究人员将这一原理改造到分子尺度。他们的设计不是输送水，而是让电子穿过一个螺旋形分子，当电流通过时，该分子便会旋转。
悬置于两个金针尖之间的微型分子螺旋
该马达的核心部件是由哥本哈根大学Michael Pittelkow教授研究团队专门设计的螺旋形分子。该分子尺寸仅为百万分之几毫米，可通过硫原子附着在金表面。
在以色列魏茨曼科学研究所，Oren Tal教授和Anil Kumar Singh博士领导的研究人员将单个分子置于两个被削尖至原子尺度的金针尖之间。通过仔细改变这两个电极之间的距离，团队可以拉伸或压缩这个分子螺旋。
当科学家施加电压时，测量结果显示分子开始旋转。更重要的是，他们只需改变电压的极性就能使其旋转方向反转。
这是首个由电流驱动、牢固连接于两个金属电极之间、并且能够以可控方向旋转的分子马达的演示。
电如何使单个分子旋转
驱动力直接来自穿过螺旋分子的电子。电子在运动过程中将角动量传递给分子结构，从而产生旋转，这与流动的空气推动风力涡轮机旋转的原理非常相似。
螺旋的形状决定了它对这种电子流的响应方式，类似于右旋螺纹和左旋螺纹螺钉之间的差异。一旦施加的电压超过某个阈值，运动便会转变为连续旋转。
但实验还揭示了另一个引人注目的效应。旋转时的分子导电效率远高于静止时，这提出了一个重要问题：这台微型机器内部究竟发生了什么。
科学家发现惊人的百倍电学效应
为研究这一出乎意料的行为，奥格斯堡大学理论物理一世讲席教授Fabian Pauly博士及其博士生Léon Martin和Yuta Ito利用LiCCA超级计算机进行了量子力学模拟。
他们的计算揭示了分子旋转与其载流能力之间的密切关系。电导率随分子的角度发生剧烈变化，在旋转过程中最多可增加两个数量级，即100倍。
p>原因尤其令人惊讶。一些能让电流最顺利通过的分子位置，恰恰是分子在静止状态下会自然避开的位置。旋转使这些高导电性的构型得以被触及。
"令人惊讶的是，恰恰是分子在静止时会避开的位置导电性最好。只有旋转才能使这些位置得以被利用，"Léon Martin解释道。
这一发现表明，分子运动不仅仅是消耗电能。运动本身还能强烈影响电流在这台机器中的流动方式。
国际合作破解谜团
随后，研究人员与哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所的理论物理学家Per Hedegård以及武汉华中科技大学的吕京涛（Jing-Tao Lü）展开合作。
利用模拟结果，科学家们建立了一个简化的理论模型，该模型成功重现了实验中观察到的旋转以及伴随而来的电流增大。
实验测量与理论计算的结合对于理解这一机制至关重要。尽管研究人员可以测量流经分子的电流，但他们需要借助模拟才能确定在如此极小尺度上发生的事情。
"在实验中，你只能看到电流。我们的计算让我们得以窥见纳米接触点内部发生的情况。正是通过多个国家之间实验与理论的紧密合作，才解开了电流增大之谜，"来自日本的博士生Yuta Ito说。
分子电子学的新前沿
这一成果最终可能有助于分子电子元件以及自旋电子学相关技术的开发——自旋电子学利用电子电荷以外的特性。它还可能为操控极微量液体的微流控系统提供新的可能。
除了这些潜在应用之外，该马达还为科学家提供了一种研究原子尺度物理过程的新途径。它既能将电能转化为可控旋转，又能让旋转反过来影响电流，这为设计超微型机器引入了新的原理。
"我们已经证明，电流可以用来产生定向旋转，而这种旋转又能反过来控制电流。这是处于微型化极限的机器的一种全新工作原理，"Pauly解释道。
奥格斯堡大学的相关工作获得了德国研究基金会（DFG）通过合作研究中心（SFB）1585（项目编号492723217）的资助。计算研究使用了奥格斯堡大学的LiCCA超级计算机（DFG项目编号499211671）。
参与合作机构还获得了以下机构的额外支持：欧洲研究委员会（ERC，Horizon 2020，资助号864008）、以色列科学基金会（2129/23）、密涅瓦基金会、维勒姆基金会、诺和诺德基金会、丹麦独立研究基金（DFF）、中国国家重点研发计划以及中国国家自然科学基金。