فناوری انقلابی: کوچک‌ترین ماشین مولکولی دنیا با فرمان الکتریکی!

ماشین‌های مولکولی مصنوعی: دریچه‌ای نو به سوی علم مواد

ماشین‌های مولکولی مصنوعی، که از چند تا مولکول کوچولو درست شدن و تو مقیاس نانو کار می‌کنن، این توانایی رو دارن که یه تغییر اساسی توی حوزه‌های کاتالیزورها، الکترونیک مولکولی، داروها و مواد کوانتومی ایجاد کنن. این ماشین‌ها با تبدیل محرک‌های خارجی، مثل سیگنال‌های الکتریکی، به حرکت مکانیکی توی سطح مولکولی کار می‌کنن.

فروسن، یه مولکول خاص که مثل یه درام می‌مونه و از یه اتم آهن (Fe) بین دو تا حلقه کربنی پنج‌ضلعی درست شده، به عنوان یه مولکول پایه و امیدوارکننده واسه ماشین‌های مولکولی شناخته میشه. کشف این مولکول تو سال ۱۹۷۳ جایزه نوبل شیمی رو به خودش اختصاص داد و از اون موقع به عنوان یه پایه مهم واسه مطالعه‌ی ماشین‌های مولکولی به کار رفته.

چیزی که فروسن رو خیلی جذاب می‌کنه، ویژگی منحصر به فردشه: تغییر توی حالت الکترونی یون Fe، از Fe²⁺ به Fe³⁺، باعث میشه که دو تا حلقه‌ی کربنی‌اش حدود ۳۶ درجه حول محور مولکولی مرکزی‌اش بچرخن. کنترل این حالت الکترونی با یه سیگنال الکتریکی خارجی می‌تونه امکان چرخشی دقیق مولکولی رو فراهم کنه.

با این حال، یکی از مشکلات اصلی توی استفاده‌ی عملی ازش، تجزیه شدن راحت فروسن وقتی که روی سطح زیرلایه‌ها، مخصوصاً زیرلایه‌های فلزات نجیب صاف، جذب میشه، اون هم تو دمای نزدیک به اتاق و حتی توی شرایط خلاء خیلی زیاد. تا الان، یه راه‌حل قطعی واسه اینکه مولکول‌های جداافتاده‌ی فروسن رو بدون اینکه تجزیه بشن، روی یه سطح ثابت کنن، پیدا نشده.

پیشرفت‌های جدید توی ماشین‌های مولکولی

تو یه مطالعه‌ی پیشرو، یه تیم تحقیقاتی به رهبری استاد یامادا تویو کازو از دانشکده‌ی مهندسی دانشگاه چیبا توی ژاپن، که شامل پروفسور پیتر کروگر از دانشکده‌ی مهندسی دانشگاه چیبا، پروفسور ساتوشی کِرا از مؤسسه علوم مولکولی ژاپن و پروفسور ماساکی هوریه از دانشگاه ملی تسینگ‌هوا تو تایوان بود، تونستن بر این چالش غلبه کنن. اونا تونستن کوچیک‌ترین ماشین مولکولی که با الکتریسیته کنترل میشه رو، درست کنن.

استاد یامادا میگه: “تو این مطالعه، ما تونستیم مولکول‌های فروسن رو روی یه سطح فلزی نجیب ثابت و جذب کنیم، اون هم با یه پوشش اولیه‌ای از یه فیلم مولکولی اتر تاج دو بعدی. این، اولین مدرک تجربی مستقیم از حرکت مولکولی بر پایه‌ی فروسن توی مقیاس اتمیه.”

نتایج تحقیقات توی مجله Small

یافته‌های این تیم تو تاریخ ۳۰ نوامبر ۲۰۲۴ توی مجله Small منتشر شد. واسه پایدار کردن مولکول‌های فرروسین، تیم اول با اضافه کردن نمک‌های آمونیوم، این مولکول‌ها رو تغییر دادن و نمک‌های آمونیوم فرروسین (Fc-amm) رو ساختن. این تغییرات باعث بهتر شدن دوام و این اطمینان شد که مولکول‌ها به طور امن روی سطح زیرلایه ثابت میشن.

استفاده از مولکول‌های حلقوی اتر تاج

این مولکول‌های جدید بعداً روی یه فیلم تک لایه که از مولکول‌های حلقوی اتر تاج تشکیل شده بود، ثابت شدن. این فیلم روی یه زیرلایه مسی صاف قرار گرفت. مولکول‌های حلقوی اتر تاج ساختار منحصر به فردی دارن که یه حلقه‌ی مرکزی رو در بر می‌گیره و می‌تونه انواع مختلفی از اتم‌ها، مولکول‌ها و یون‌ها رو تو خودش جا بده. پروفسور یامادا توضیح میده: “قبلاً فهمیده بودیم که مولکول‌های حلقوی اتر تاج می‌تونن یه فیلم تک لایه روی زیرلایه‌های فلزی صاف بسازن. این فیلم تک لایه یون‌های آمونیوم مولکول‌های Fc-amm رو توی حلقه‌ی مرکزی مولکول‌های اتر تاج به دام می‌اندازه و از تجزیه فرروسین با عمل کردن به عنوان یه سپر جلوی زیرلایه فلزی جلوگیری می‌کنه.”

حرکت مولکول‌ها با استفاده از میکروسکوپ تونل‌زنی

بعد، تیم یه پروب میکروسکوپ تونل‌زنی (STM) رو روی مولکول Fc-amm قرار داد و یه ولتاژ الکتریکی اعمال کرد که باعث شد مولکول‌ها به طرفین حرکت کنن. به طور خاص، با اعمال ولتاژ منفی ۱.۳ ولت، یه حفره (فضای خالی باقی‌مونده از یه الکترون) وارد ساختار الکترونیکی یون Fe میشه و اونو از حالت Fe2+ به Fe3+ تغییر می‌ده. این تغییر حالت باعث چرخش حلقه‌های کربنی همراه با حرکت جانبی مولکول میشه. محاسبات نظریه تابع چگالی نشون داد که این حرکت جانبی به خاطر دافعه‌ی کولنی بین یون‌های Fc-amm که بار مثبت دارن، اتفاق می‌افته.

کنترل دقیق حرکت مولکول‌ها

مهمه که با برداشتن ولتاژ، مولکول به موقعیت اصلیش برمی‌گرده، که نشون می‌ده این حرکت قابل‌برگشت هست و می‌شه با استفاده از سیگنال‌های الکتریکی، دقیقاً کنترلش کرد. پروفسور یامادا میگه: “این مطالعه امکانات هیجان‌انگیزی رو واسه ماشین‌آلات مولکولی بر پایه‌ی فرروسین باز می‌کنه. توانایی اونا تو انجام کارهای خاص تو سطح مولکولی می‌تونه به نوآوری‌های انقلابی توی خیلی از حوزه‌های علمی و صنعتی، از جمله پزشکی دقیق، مواد هوشمند و تولید پیشرفته منجر بشه.”