이천 년 전 아키메데스는 나선을 돌려 물을 위로 올리는 장치를 고안했다. 오늘 국제 팀이 그 원리를 극한까지 밀어 붙였다. 그들의 모터에서 움직이는 부품은 단 하나의 분자다. 물을 퍼 올리는 대신 전자가 나선을 지나면서 분자 자체를 회전시킨다.
이 연구는 2026년 11월 1일 네이처지에 실렸다. 전류로 구동되고 두 금속 전극에 단단히 연결되며 회전 방향이 제어 가능한 분자 모터로는 처음이라고 한다. 전기 구동 분자 모터는 2011년에도 나왔지만, 표면 위에 놓인 채 주사 터널링 현미경 팁으로 밀어야 했다.
이 나선 분자에는 헬리센이라는 이름이 붙었다. 양 끝에 황 원자를 지니며, 황은 금에 꽉 결합하는 성질이 있다. 그래서 과학자는 원자 수준까지 뾰족하게 갈은 두 금 팁 사이에 단일 분자를 작은 다리처럼 매달 수 있다. 이 분자를 설계한 것은 코펜하겐 대학교 마이클 피텔코우가 이끄는 화학 그룹이다.
분자를 실제로 걸치고 움직임을 관찰한 팀은 이스라엘 바이츠만 과학 연구소의 오렌 탈과 아닐 쿠마르 싱이 이끄는 그룹이다. 그들은 두 금 팁 사이에 단일 분자를 배치하고 간격을 바꿔 늘이거나 압축했다. 장치 전체는 절대 영도보다 불과 4.2켈빈 높은 온도로 냉각되었다.
메커니즘은 거의 직관적이다. 전자가 나선을 따라 흐르면 각운동량을 분자에 넘겨 비틀림 힘을 가하고, 풍차에 바람이 부는 것처럼 회전을 돋운다. 분자가 오른나사인지 왼나사인지가 어느 쪽으로 도는지 결정한다.
중요한 것은 제어성이다. 어떤 전압 임계점을 넘으면 움직임이 단계적 도약에서 연속 회전으로 바뀌고, 극성을 반전시키면 방향도 뒤집힌다. 즉 방향은 고정되어 있지 않고 전기로 맞춘다.
하지만 머리를 돌린 발견은 다른 놀라움이었다. 회전 중 분자의 전도성은 정지할 때보다 훨씬 높아져 최대 100배까지 치솟는다. 정지해 있을 때 분자는 특정 형태에 머무르기 쉽지만, 회전은 그것을 전기가 가장 잘 흐르는 기하로 운반한다.
아우크스부르크 대학교 파비안 파울리 팀과 박사생 레온 마르틴, 이토 유타는 LiCCA 슈퍼컴퓨터로 양자역학 시뮬레이션을 돌려 메커니즘을 파악했다. 마르틴은 이렇게 표현했다. 분자가 정지 시 피하는 위치야말로 전도가 가장 잘되고, 회전만이 그것을 가능하게 한다고.
이론적 틀은 닐스 보어 연구소의 페르 헤데고와 화중과학기술대학의 Lü Jing-Tao 등이 완성했다. 계산과 실험은 일치했다. 분자는 단계적에서 연속 회전으로 전이하고 전류도 함께 급증한다.
팀은 대조 실험도 했다. 비슷한 직쇄 분자에서는 특징적인 주기적 전기 신호도 극적인 전도성 점프도 보이지 않았다. 이것은 향상이 나선의 운동 그 자체에서 오며 다른 부작용이 아님을 가리킨다.
10년 전 방식과 비교할 때 가장 큰 차이는 이 설계가 자체 완결적이라는 점이다. 옛 모터는 현미경 팁으로 밀어야 했지만, 새 모터는 통전되는 회로 안에 그대로 매달려 전자가 회전을 구동함과 동시에 과학자에게 읽힌다. 회로에 끼울 수 있는 작은 액추에이터처럼 행동한다.
전망은 매력적으로 들린다. 분자 규모의 전자 스위치, 전자 스핀을 활용하는 소자, 심지어 유체를 조작하는 미세 시스템까지 이런 분자 기계에서 자라날 수 있다. 또한 원자 규모에서 운동과 전기 신호가 어떻게 얽히는지 관찰하는 새 창을 연다.
이 실험의 깔끔한 반전은 이렇다. 전기가 물질을 움직이게 하고, 그 움직임이 다시 전기를 제어한다. 아키메데스는 자신의 물 올리는 나사가 이천 년 뒤, 단일 분자 크기로 두 금 팁 사이에서 다시 돌아갈 줄은 꿈에도 생각하지 못했을 것이다.
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