Nanoteknologer skal tage ved lære af naturen

Det er almindelig kendt, at det perfekte er det godes fjende, men i nanoskalaen verden, perfektion kan fungere som de bedstes fjende.

I hverdagens verden, ingeniører og forskere går meget langt for at gøre de enheder, vi bruger, så perfekte som muligt. Når vi tænder en lyskontakt eller drejer nøglen på bilen, vi forventer, at lysene tænder og motoren starter hver gang, med kun sjældne undtagelser. Det har de gjort ved at bruge en top-down designproces kombineret med anvendelse af store mængder energi for at øge pålideligheden ved at undertrykke naturlig variabilitet.

Imidlertid, denne brute-force tilgang vil ikke fungere i den nanoskala verden, som videnskabsmænd begynder at undersøge i deres søgen efter nye elektriske og mekaniske enheder. Det er fordi objekter i denne skala opfører sig på en fundamentalt anderledes måde end objekter i større skala, argumenterer Peter Cummings, John R. Hall professor i kemiteknik ved Vanderbilt University, og Michael Simpson, professor i materialevidenskab og teknik ved University of Tennessee, Knoxville, i en artikel i aprilnummeret af ACS Nano tidsskrift.

Den afgørende forskel mellem opførsel af objekter i stor skala og nanoskala er den rolle, som "støj" spiller. For forskere er støj ikke begrænset til ubehagelige lyde; det er enhver form for tilfældig forstyrrelse. På niveauet af atomer og molekyler, støj kan tage form af tilfældig bevægelse, som dominerer i en sådan grad, at det er ekstremt svært at lave pålidelige enheder.

Natur, imidlertid, har formået at finde ud af, hvordan man får disse udsving til at virke, gør det muligt for levende organismer at fungere pålideligt og langt mere effektivt end sammenlignelige menneskeskabte enheder. Det har den gjort ved at udnytte den kontrariske adfærd, som tilfældig adfærd tillader.

"Kontrarinvestering er en strategi for at vinde på aktiemarkedet, " sagde Cummings, "men det kan også være et grundlæggende træk ved alle naturlige processer og har nøglen til mange forskellige fænomener, inklusive den humane immundefektviruss evne til at modstå moderne medicin."

I deres papir, Cummings og Simpson hævder, at i enhver given befolkning, tilfældige udsving – "støjen" – får et lille mindretal til at handle på en måde i modstrid med flertallet og kan hjælpe gruppen med at reagere på skiftende forhold. På denne måde, mindre perfektion kan faktisk være godt for helheden.

Efterlignende celler

På Oak Ridge National Laboratory, hvor de to forskere arbejder, de udforsker dette grundlæggende princip gennem en kombination af at skabe virtuelle simuleringer og konstruere fysiske celle mimik, syntetiske systemer konstrueret i biologisk skala, der udviser nogle cellelignende egenskaber.

"I stedet for at forsøge at træffe perfekte beslutninger baseret på ufuldkommen information, cellen spiller oddsene med et vigtigt twist:den afdækker sine indsatser. Jo da, de fleste af cellerne vil placere væddemål på den sandsynlige vinder, men et vigtigt fåtal vil sætte deres penge på lang sigt, " sagde Simpson. "Det er naturens lektie, hvor en ydmyg bakteriecelle overgår vores bedste computerchips med en faktor på 100 mio. og det gør det til dels ved at være mindre end perfekt."

At følge naturens leder betyder at forstå tilfældighedernes rolle. For eksempel, i AIDS -virussen, de fleste inficerede celler er tvunget til at producere nye vira, der inficerer andre celler. Men nogle få af de inficerede celler vender virussen til en hvilende tilstand, der undslipper påvisning.

"Som tikkende bomber, disse sovende infektioner kan blive aktive engang senere, og det er disse modstridende begivenheder, der er hovedfaktoren, der forhindrer udryddelsen af ​​AIDS, "Sagde Simpson.

"Vores teknologi har kæmpet mod denne chance ved at bruge en brute force-tilgang, der forbruger meget strøm, " sagde Cummings. Som et resultat, en af ​​de faktorer, der begrænser bygningen af ​​mere kraftfulde computere, er den strømforbrugende mængde energi, de kræver.

Endnu bosat oven på skabene i disse supercomputere, soler sig i varmen, der blev genereret i kampen for at undertrykke tilfældighedselementet, de ringe bakterier viser os en anden vej.