Det är allmänt känt att det perfekta är det godas fiende, men i nanoskalavärlden, perfektion kan fungera som de bästa fienden.

I arbetsvärlden, ingenjörer och forskare strävar efter att göra de enheter vi använder så perfekta som möjligt. När vi tänder på en strömbrytare eller vrider nyckeln på bilen, vi förväntar oss att lamporna tänds och motorn startar varje gång, med bara sällsynta undantag. De har gjort det genom att använda en top-down designprocess i kombination med applicering av stora mängder energi för att öka tillförlitligheten genom att undertrycka naturlig variation.

Dock, detta brute-force-tillvägagångssätt kommer inte att fungera i nanoskalavärlden som forskare börjar undersöka i jakten på nya elektriska och mekaniska enheter. Det beror på att objekt i denna skala beter sig på ett fundamentalt annorlunda sätt än objekt i större skala, argumentera Peter Cummings, John R. Hall professor kemiteknik vid Vanderbilt University, och Michael Simpson, professor i materialvetenskap och teknik vid University of Tennessee, Knoxville, i en artikel i aprilnumret av ACS Nano tidning.

Den avgörande skillnaden mellan beteenden hos storskaliga och nanoskala objekt är den roll som "brus" spelar. För forskare är buller inte begränsat till obehagliga ljud; det är någon form av slumpmässig störning. På nivån av atomer och molekyler, buller kan ha form av slumpmässiga rörelser, som dominerar i en sådan utsträckning att det är extremt svårt att göra tillförlitliga enheter.

Natur, dock, har lyckats ta reda på hur dessa fluktuationer ska fungera, tillåter levande organismer att arbeta pålitligt och mycket mer effektivt än jämförbara konstgjorda enheter. Det har gjort det genom att utnyttja det motsatta beteendet som slumpmässigt beteende tillåter.

"Kontrarinvesteringar är en strategi för att vinna på aktiemarknaden, "Cummings sa, "men det kan också vara ett grundläggande inslag i alla naturliga processer och rymmer nyckeln till många olika fenomen, inklusive det humana immunbristvirusets förmåga att motstå moderna läkemedel. "

I deras papper, Cummings och Simpson hävdar att i en given befolkning, slumpmässiga fluktuationer - "bruset" - får en liten minoritet att agera på ett sätt som strider mot majoriteten och kan hjälpa gruppen att reagera på förändrade förhållanden. På detta sätt, mindre perfektion kan faktiskt vara bra för helheten.

Efterliknar celler

På Oak Ridge National Laboratory, där de två forskarna arbetar, de utforskar denna grundläggande princip genom en kombination av att skapa virtuella simuleringar och konstruera fysiska cellmimiker, syntetiska system konstruerade i biologisk skala som uppvisar vissa cellliknande egenskaper.

"Istället för att försöka fatta perfekta beslut baserade på ofullkomlig information, cellen spelar oddsen med en viktig twist:den säkrar sina satsningar. Säker, de flesta av cellerna kommer att satsa på den troliga vinnaren, men ett fåtal kommer att lägga sina pengar på långskottet, "Simpson sa." Det är naturens lärdom, där en ödmjuk bakteriecell överträffar våra bästa datorchips med en faktor på 100 miljoner, och det gör detta delvis genom att vara mindre än perfekt. "

Att följa naturens ledning innebär att förstå slumpens roll. Till exempel, i AIDS -viruset, de flesta infekterade celler tvingas producera nya virus som infekterar andra celler. Men några av de infekterade cellerna vänder viruset till ett vilande tillstånd som undgår upptäckt.

"Som tickande bomber, dessa vilande infektioner kan bli aktiva någon gång senare, och det är dessa motsatta händelser som är den viktigaste faktorn som förhindrar utrotning av AIDS, "Sa Simpson.

"Vår teknik har kämpat mot denna chans med ett brute force -tillvägagångssätt som förbrukar mycket kraft, Sa Cummings. Som ett resultat, en av de faktorer som begränsar byggandet av mer kraftfulla datorer är den nätbaserade mängden energi de behöver.

Ändå bosatt ovanpå skåpen till dessa superdatorer, sola sig i värmen som genereras i kampen för att undertrycka chanselementet, de ringa bakterierna visar oss ett annat sätt.