Fysiker vid universitetet i Luxemburg har utvecklat teoretiska verktyg för att analysera och optimera kemiska motorer, allt från enkla kemiska reaktionsnätverk till komplexa metaboliska vägar.

Pappret, "Termodynamisk effektivitet i dissipativ kemi, "rapporterar resultaten av forskningen som utförts av professor Massimiliano Esposito, Dr Riccardo Rao och doktorand student Emanuele Penocchio från naturvetenskapliga fakulteten, Teknik och kommunikation vid universitetet i Luxemburg. Den publicerades i Naturkommunikation .

Termodynamik, den fysikgren som behandlar energiomvandling och dess begränsningar, har sitt ursprung i ett försök att förbättra effektiviteten hos mekaniska motorer som ång- eller förbränningsmotorer. I standardteori, termodynamiska lagar var aldrig tillämpliga på att karakterisera prestanda hos små kemiska motorer som levande celler.

I mekaniska motorer, maximal verkningsgrad sammanfaller aldrig med maximal effekt. En bils effektivitet varierar beroende på hastigheten. Om den körs snabbt med full hästkrafter, effektiviteten vid maximal effekt är vanligtvis mycket låg.

Saker är annorlunda i molekylernas värld, som professor Esposito, Dr Rao och Penocchio har upptäckt. Forskarna har utvecklat en ny metod för att tillämpa principerna för termodynamik på kemiska system. Dessa fynd kan visa sig vara till hjälp för bioteknik eller nanoteknik i framtiden.

Forskningen har tagit ett steg mot att utvärdera den termodynamiska kostnaden för att bygga och hålla en cell i drift. Till exempel:Hur mycket energi i maten som förbrukas av en cell går till spillo, och hur mycket används på kemisk nivå? Resultaten registrerar förhållanden där system arbetar med maximal effektivitet och maximal effekt samtidigt.

"Vi brukar anta att naturen är mycket effektiv tack vare evolutionens åldrar. Genom att kvantifiera effektiviteten hos olika kemiska operationer i olika organismer, vi kanske kan lägga den typen av idéer på en mer fast mark en dag, vilket bidrar till en bättre förståelse av biologiska system. Denna studie ger grunden för framtida prestandastudier och optimal design inom kemi. Vi kan nu svara på frågor om effektiviteten av alla operationer som utförs av ett öppet kemiskt system, "Säger professor Esposito.