صرفه جویی در انرژی های بزرگ برای ماشین های کوچک

درون ما همه ی ما تریلیون ها نانوماشین مولکولی کوچک است که انواع مختلفی از وظایف لازم را برای زنده نگه داشتن ما فراهم می کنند.

در یک تحقیق جامع، تیمی که به رهبری استاد فیزیک SFU پروفسور دیوید سیواک برای اولین بار استراتژی برای دستکاری این ماشین ها را برای به حداکثر رساندن کارایی و صرفه جویی در انرژی نشان داد. این پیشرفت می تواند در بسیاری از زمینه ها تاثیر داشته باشد، از جمله ایجاد چیپ های رایج کارآمد و سلول های خورشیدی برای تولید انرژی.

نانوماشین ها کوچک هستند، واقعا خیلی کوچک هستند؛ در واقع چند بیلیونیوم از یک متر عریض. آنها نیز سریع و قادر به انجام وظایف پیچیده هستند: همه چیز از مواد متحرک در اطراف سلول، ساخت و تجزیه مولکول، پردازش و بیان اطلاعات ژنتیکی.

سیواک می گوید: ماشین ها می توانند این وظایف را در حین مصرف انرژی قابل ملاحظه ای کمی انجام دهند. بنابراین، نظریه ای که پیش بینی بازده پر انرژی را به ما می آموزد که چگونه این دستگاه های میکروسکوپی کار می کنند و چه چیزی در زمان شکست آنها ناپدید می شود.

همکاران آزمایشگاه سیواک در آزمایشگاه یک DNA سنجاق سر را دستکاری کرده اند، که تاخوردگی(folding) و باز شدن(unfolding) آن، حرکت مکانیکی ماشین های پیچیده مولکولی را تقلید می کند. همانطور که  توسط تئوری سیواک پیش بینی شده، آنها دریافتند که حداکثر کارایی و حداقل تلفات انرژی در سنجاق سراتفاق می افتد، به سرعت زمانی که تا میخورد، اما به آرامی زمانی که باز میشود.

استیون لارج، دانشجوی کارشناسی ارشد فیزیک SFU و نخستین نویسنده در این مقاله، توضیح می دهد که DNA سنجاق سر (و نانوماشین ها) بسیار کوچک و شل هستند که به طور مداوم توسط برخورد های خشونت آمیز با مولکول های اطراف شتاب می گیرند.

لارج می گوید: "باز کردن سنجاق سر برای شما یک صرفه جویی در انرژی و زمان است."

سیواک فکر می کند گام بعدی این است که این نظریه را برای یادگیری نحوه راندن یک دستگاه مولکولی از طریق چرخه عملیاتی آن، بکار گیرد، در حالی که انرژی مورد نیاز برای انجام این کار را کاهش می دهد.

بنابراین، نانوماشینها کارایی بیشتری دارند؟ سیواک می گوید که برنامه های کاربردی بالقوه می تواند در زمینه های مختلف تغییر دهنده بازی باشد.

"استفاده می تواند شامل طراحی چیپ های رایانه ای کارآمدتر و حافظه کامپیوتر (کاهش نیازهای برق و گرمایی که آنها ساطع می کنند)، تولید مواد انرژی تجدید پذیر بهتر برای فرآیندهای مانند فتوسنتزی مصنوعی (افزایش انرژی برداشت شده از خورشید) و بهبود مستقل ماشین آلات بیومولکولی برای برنامه های کاربردی بیوتک مانند تحویل دارو باشد. "

منبع مقاله:

1. Sara Tafoya, Steven J. Large, Shixin Liu, Carlos Bustamante, David A. Sivak. Using a system’s equilibrium behavior to reduce its energy dissipation in nonequilibrium processes. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019; 116 (13): 5920 DOI: 10.1073/pnas.1817778116

---