Inuti oss alla finns biljoner små molekylära nanomaskiner som utför en mängd olika uppgifter som är nödvändiga för att hålla oss vid liv.

I en banbrytande studie, ett team ledd av SFU fysikprofessor David Sivak visade för första gången en strategi för att manipulera dessa maskiner för att maximera effektiviteten och spara energi. Genombrottet kan få konsekvenser inom ett antal områden, inklusive att skapa effektivare datachips och solceller för energigenerering.

Nanomaskiner är små, riktigt liten — några miljarddels meter breda, faktiskt. De är också snabba och kan utföra komplicerade uppgifter:allt från att flytta material runt en cell, bygga och bryta ner molekyler, och bearbeta och uttrycka genetisk information.

Maskinerna kan utföra dessa uppgifter samtidigt som de förbrukar anmärkningsvärt lite energi, så en teori som förutsäger energieffektivitet hjälper oss att förstå hur dessa mikroskopiska maskiner fungerar och vad som går fel när de går sönder, säger Sivak.

I labbet, Sivaks experimentella medarbetare manipulerade en DNA-hårnål, vars vikning och utvikning efterliknar den mekaniska rörelsen hos mer komplicerade molekylära maskiner. Som förutspåtts av Sivaks teori, de fann att maximal effektivitet och minimal energiförlust inträffade om de drog snabbt i hårnålen när den veks men långsamt när den var på väg att vecklas ut.

Steven Large, en doktorand i fysik från SFU och medförfattare på tidningen, förklarar att DNA-hårnålar (och nanomaskiner) är så små och floppiga att de ständigt knuffas av våldsamma kollisioner med omgivande molekyler.

"Att låta knuffandet veckla ut hårnålen åt dig är en energi- och tidsbesparing, säger Large.

Sivak tror att nästa steg är att tillämpa teorin för att lära sig hur man kör en molekylär maskin genom dess driftscykel, samtidigt som man minskar energin som krävs för att göra det.

Så, vad är fördelen med att göra nanomaskiner mer effektiva? Sivak säger att potentiella applikationer kan förändra spelet inom en mängd olika områden.

"Användningar kan inkludera att designa effektivare datorchips och datorminne (minska effektbehov och värme de avger), att göra bättre förnybara energimaterial för processer som artificiell fotosyntes (öka energin som skördas från solen) och förbättra autonomin hos biomolekylära maskiner för biotekniska tillämpningar som läkemedelstillförsel."

Studien publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences.