En ny studie bestämmer effektiviteten hos en enmolekylär värmemotor genom att överväga en serie spärrhakar som överför energi längs ett nätverk.
Från förbränningsmotorer till hushållskylskåp, värmemotorer är en allestädes närvarande del av det dagliga livet. Dessa maskiner omvandlar värme till användbar energi som sedan kan användas för att utföra arbete. Värmemotorer kan vara så små som en enda molekyl vars slumpmässiga rörelser utbyter energi med omgivningen. Men att bestämma effektiviteten hos en molekylär värmemotor är ingen enkel uppgift.
I en studie publicerad i The European Physical Journal B , Mesfin Asfaw Taye, från West Los Angeles College, Kalifornien, USA, beräknar nu prestandan hos en molekylär värmemotor i termer av en serie molekylära spärrhakar som överför energi, stegvis, i en riktning. Han visar och diskuterar hur man manipulerar ett sådant system för att transportera en partikel längs en komplex väg.
Taye och hans kollegor har tidigare åberopat konceptet med en "Brownian ratchet" för att beräkna hastigheten, effektiviteten och den totala prestandan hos en molekylär värmemotor. Här ändrar en partikel (motorn) position genom termisk rörelse enligt en mekanism som tvingar ett annars slumpmässigt rörligt föremål att färdas i endast en riktning.
Nu tillhandahåller Taye och hans grupp en komplett analytisk lösning på sina modellekvationer som gör att de kan beräkna systemets prestanda vid varje tidpunkt på vägen. Att göra det ger ett sätt att undersöka hur spärranordningen påverkar motorns effektivitet och hastighet. De visar också att en motor som arbetar i ett värmebad med gradvis sjunkande temperatur kan leda till högre hastighet men lägre effektivitet jämfört med ett system med fasta varma och kalla bad – ett annat verktyg för att manipulera motorns rörelse.
Detta fynd ger en ram för att studera de termodynamiska egenskaperna hos proteinbaserade molekylära motorer och andra system i mikro- och nanoskala som är kända för att omvandla kemisk energi till mekanisk rörelse. Det erbjuder ett sätt att transportera en partikel till en önskad plats i ett nätverk med en hastighet som beror på placeringen av spärrhakarna.
Mer information: Mesfin Asfaw Taye, Tidsberoende lösningar för effektivitet och hastighet hos en Brownsk värmemotor som arbetar i ett tvådimensionellt gitter i kombination med en olikformig termisk bakgrund, The European Physical Journal B (2023). DOI:10.1140/epjb/s10051-023-00533-y
Journalinformation: European Physical Journal B
Tillhandahålls av Springer
