Densitetsdiagram över effektutgången för ett energiomvandlande nätverk som består av interaktiva nanomaskiner illustrerade av sfärerna.Kraften ökar från röd till blå färg, alltså i synkroniseringsfasen som motsvarar det område som omges av de vita streckade linjerna, utmatningen från nätverket maximeras. Kredit:University of Luxembourg
Alla maskiner omvandlar en form av energi till en annan form - till exempel en bilmotor förvandlar energin som lagras i bränsle till rörelseenergi. Dessa processer för energiomvandling, beskrivs av termodynamik, sker inte bara på makronivå för stora maskiner, men också på mikronivå av molekylära maskiner som driver muskler eller metaboliska processer och till och med på atomnivå. Massimiliano Espositos forskargrupp studerar termodynamiken hos små nanomaskiner som består av endast några atomer. I ett papper publicerat i Fysisk granskning X , de beskriver hur dessa små maskiner beter sig tillsammans. Deras insikter kan användas för att förbättra energieffektiviteten för alla typer av maskiner, stor eller liten.
De senaste framstegen inom nanoteknik har gjort det möjligt för forskare att förstå världen i allt mindre skala, och till och med möjliggör design och tillverkning av extremt små konstgjorda maskiner. "Det finns bevis för att dessa maskiner är mycket effektivare än stora maskiner, som bilar. Men i absoluta tal, produktionen är låg jämfört med de behov vi har i dagliga applikationer, "förklarar Tim Herpich, Ph.D. student vid Espositos forskargrupp och huvudförfattare till uppsatsen. "Det är därför vi studerade hur nanomaskinerna interagerar med varandra och tittade på hur ensembler i de små maskinerna beter sig. Vi ville se om det finns synergier när de agerar tillsammans."
Forskarna fann att nanomaskinerna, under vissa förutsättningar, börja ordna i "svärmar" och synkronisera deras rörelser. "Vi kan visa att synkroniseringen av maskinerna utlöser betydande synergieffekter, så att den totala energiproduktionen för ensemblen är mycket större än summan av de enskilda utgångarna, "sade professor Esposito. Även om detta är grundforskning, principerna som beskrivs i papperet kan eventuellt användas för att förbättra effektiviteten hos alla maskiner i framtiden, förklarar forskaren.
För att simulera och studera det energiska beteendet hos svärmar av nanomaskiner, forskarna skapade matematiska modeller som är baserade på befintlig litteratur och resultat av experimentell forskning.
