二千年以上前、アルキメデスは螺旋を回して水を持ち上げる装置を考案した。今、国際チームがその原理を極限まで押し詰めた。彼らのモーターの可動部は、たった一つの分子だ。水を汲むのではなく、電子が螺旋を通り抜け、分子そのものを回転させる。
この研究は 2026 年 11 月 1 日付けで『ネイチャー』に発表された。電流で駆動され、二つの金属電極に剛直に接続され、回転方向が制御できる分子モーターとしては初めてだという。電気駆動の分子モーターは 2011 年にも登場していたが、それらは表面の上にあり、走査型トンネル顕微鏡の針で押さなければならなかった。
この螺旋分子にはヘリセンという名がある。両端に硫黄原子を備え、硫黄は金にしっかり結合する性質を持つ。そこで科学者は、原子レベルまで尖らせた二つの金の先端の間に、単一の分子を小さな橋のようにつり下げることができる。この分子を設計したのは、コペンハーゲン大学のマイケル・ピッテルコウが率いる化学グループだ。
分子を実際に架橋し、動きを観察したのは、イスラエルのワイツマン科学研究所のオレン・タルとアニル・クマール・シンらのチームである。彼らは二つの金先端の間に単一分子を配置し、間隔を変えることで伸縮させた。装置全体は絶対零度よりわずか 4.2 ケルビン高い温度に冷却された。
仕組みはほとんど直観的だ。電子が螺旋に沿って流れると、その角運動量を分子に手渡し、風車に風が吹くように回転を駆動する力を及ぼす。分子が右ねじか左ねじかによって、どちらへ回るかが決まる。
重要なのは制御性である。ある電圧の閾値を超えると、動きは段階的な飛びから連続回転へと移り、極性を反転させれば向きも反転する。つまり方向は固定されておらず、電気で決められるのだ。
しかし見出しを飾ったのは別の意外な発見だった。回転中、分子の導電性は静止時よりずっと高く、最大で 100 倍まで跳ね上がる。静止時には分子は特定の配置に留まりがちだが、回転はそれを、電気が最も流れやすい幾何へと運ぶ。
アウクスブルク大学のファビアン・パウリーらと、博士学生のレオン・マルティン、伊藤悠太は、LiCCA スーパーコンピュータで量子力学的シミュレーションを行い、この機構を明らかにした。マルティンはこう表現した。静止時に分子が避ける位置こそが最もよく導電し、回転によってのみそれが達成できるのだと。
理論的枠組みは、ニールス・ボーア研究所のペー・ヘデゴーと華中科技大学の呂経緯らによって完成された。計算と実験は一致する。分子は段階的から連続的な回転へと移行し、電流もそれに伴って急増する。
チームは対照実験も行った。似たような直鎖分子では、特徴的な周期的電気信号も劇的な導電性の跳ね上がりも見られなかった。このことは、向上が螺旋の運動そのものによるもので、他の副作用ではないことを示している。
十年前の手法と比べ最大の違いは、この設計が自己完結していることだ。古いモーターは顕微鏡の針で押す必要があったが、新しいものは通電される回路の中にそのままぶら下がり、電子が回転を駆動すると同時に科学者に読み取られる。まるで回路に組み込める小さなアクチュエータのようだ。
展望は魅力的に聞こえる。分子スケールの電子スイッチ、電子のスピンを活用するデバイス、流体を操る微小システムさえも、この種の分子機械から育つかもしれない。また、原子スケールで運動と電気信号がどう絡み合うかを観察する新しい窓も開く。
この実験の見事なひねりはこうだ。電気が物質を動かし、その運動が今度は電気を制御する。アルキメデスは、自分の水を汲む螺旋が二千年後に、単一分子の大きさで二つの金の先端の間で再び回るとは夢にも思わなかっただろう。
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