Store energibesparelser for små maskiner

Inde i os alle er trillioner af bittesmå molekylære nanomaskiner, der udfører en række opgaver, der er nødvendige for at holde os i live.

I en banebrydende undersøgelse, et hold ledet af SFU fysikprofessor David Sivak demonstrerede for første gang en strategi til at manipulere disse maskiner for at maksimere effektiviteten og spare energi. Gennembruddet kan få konsekvenser på tværs af en række områder, herunder skabe mere effektive computerchips og solceller til energiproduktion.

Nanomaskiner er små, virkelig lille - et par milliardtedele af en meter bred, faktisk. De er også hurtige og i stand til at udføre indviklede opgaver:alt fra at flytte materialer rundt i en celle, opbygning og nedbrydning af molekyler, og bearbejde og udtrykke genetisk information.

Maskinerne kan udføre disse opgaver, mens de bruger bemærkelsesværdigt lidt energi, så en teori, der forudsiger energieffektivitet, hjælper os med at forstå, hvordan disse mikroskopiske maskiner fungerer, og hvad der går galt, når de går i stykker, siger Sivak.

I laboratoriet, Sivaks eksperimentelle samarbejdspartnere manipulerede en DNA-hårnål, hvis foldning og udfoldning efterligner den mekaniske bevægelse af mere komplicerede molekylære maskiner. Som forudsagt af Sivaks teori, de fandt ud af, at der opstod maksimal effektivitet og minimalt energitab, hvis de trak hurtigt i hårnålen, når den blev foldet, men langsomt, når den var på nippet til at folde sig ud.

Steven Large, en SFU fysik kandidatstuderende og co-første forfatter på papiret, forklarer, at DNA-hårnåle (og nanomaskiner) er så små og floppy, at de konstant bliver stødt af voldsomme kollisioner med omgivende molekyler.

"At lade stødet folde hårnålen ud for dig er en energi- og tidsbesparelse, ", siger Large.

Sivak mener, at det næste skridt er at anvende teorien til at lære at drive en molekylær maskine gennem dens operationelle cyklus, samtidig med at den energi, der kræves for at gøre det, reduceres.

Så, hvad er fordelen ved at gøre nanomaskiner mere effektive? Sivak siger, at potentielle applikationer kan ændre spil på en række områder.

"Anvendelser kunne omfatte at designe mere effektive computerchips og computerhukommelse (reducere strømbehovet og den varme, de udsender), fremstilling af bedre vedvarende energimaterialer til processer som kunstig fotosyntese (øgning af energien høstet fra Solen) og forbedring af biomolekylære maskiners autonomi til bioteknologiske applikationer som lægemiddellevering."

Undersøgelsen blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences.