Hvordan en molekylær motor bevæger sig i et netværk

En ny undersøgelse bestemmer effektiviteten af ​​en enkelt-molekyle varmemotor ved at overveje en række skralder, der overfører energi langs et netværk.

Fra forbrændingsmotorer til husholdningskøleskabe er varmemotorer en allestedsnærværende komponent i dagligdagen. Disse maskiner omdanner varme til brugbar energi, som derefter kan bruges til at udføre arbejde. Varmemotorer kan være så små som et enkelt molekyle, hvis tilfældige bevægelser udveksler energi med miljøet. Men at bestemme effektiviteten af ​​en molekylær varmemotor er ikke nogen nem opgave.

I en undersøgelse offentliggjort i The European Physical Journal B , Mesfin Asfaw Taye, fra West Los Angeles College, Californien, USA, beregner nu ydeevnen af ​​en molekylær varmemotor i form af en række molekylære skralder, der overfører energi trinvist i én retning. Han viser og diskuterer, hvordan man manipulerer et sådant system til at transportere en partikel langs en kompleks vej.

Taye og hans kolleger har tidligere påberåbt sig konceptet med en "brownsk skralde" til at beregne hastigheden, effektiviteten og den samlede ydeevne af en molekylær varmemotor. Her ændrer en partikel (motoren) position gennem termisk bevægelse i henhold til en mekanisme, der tvinger et ellers tilfældigt bevægende objekt til kun at bevæge sig i én retning.

Nu leverer Taye og hans gruppe en komplet analytisk løsning til deres modelligninger, der giver dem mulighed for at beregne systemets ydeevne til enhver tid undervejs. Dette giver en måde at undersøge, hvordan skraldearrangementet påvirker motorens effektivitet og hastighed. De viser også, at en motor, der arbejder i et varmebad med gradvist faldende temperatur, kan føre til højere hastighed, men lavere effektivitet sammenlignet med et system med faste varme og kolde bade – et andet værktøj til at manipulere motorens bevægelse.

Dette fund giver en ramme for at studere de termodynamiske træk ved proteinbaserede molekylære motorer og andre mikro- og nanoskalasystemer, der vides at omdanne kemisk energi til mekanisk bevægelse. Det tilbyder en måde at transportere en partikel til et ønsket sted i et netværk med en hastighed, der afhænger af placeringen af ​​skralde.

Flere oplysninger: Mesfin Asfaw Taye, Tidsafhængige løsninger til effektivitet og hastighed af en Brownsk varmemotor, der fungerer i et todimensionelt gitter koblet med en uensartet termisk baggrund, The European Physical Journal B (2023). DOI:10.1140/epjb/s10051-023-00533-y

Journaloplysninger: European Physical Journal B

Leveret af Springer